presion y vientos

8/8/2019 PRESION Y VIENTOS

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Cap. 7 Presin atmosfrica y vientos.

Juan Inzunza Meteorologa Desc185

CAPITULO 7. PRESIN ATMOSFRICA Y VIENTOS.

La presin atmosfrica es uno de los elementos del tiempo menos notable, y en la vida cotidiana a casi nadie le interesa. Sus variaciones diariasen superficie no son perceptibles, como lo es por ejemplo la temperatura,la precipitacin, la humedad relativa o el viento. Sin embargo, la presines de la mayor importancia en las variaciones diarias del tiempo, ya quegenera los vientos, que a su vez producen variaciones de la temperatura ode la humedad relativa o de la precipitacin. Por su relacin con las otrasvariables del tiempo, las variaciones en la presin del aire son un factor de la mayor importancia en los pronsticos del tiempo. En este captulo

se estudian las variables presin y viento y se hace una breve descripcincualitativa de dos importantes sistemas de viento como son los tornados ylos huracanes. Aqu es donde empezamos a aplicar los conocimientosadquiridos en los captulos anteriores para describir el comportamientode una situacin meteorolgica dada e interpretar los mapas de tiempo,necesarios para hacer los pronsticos del tiempo.

7.1 PRESIN ATMOSFRICA.

La masa de la atmsfera es del orden de5.3x10 18 kg ; para hacernos unaidea de este valor, imaginemos que si se aplastara sobre la superficie dela Tierra, con una densidad equivalente a la del agua, se formara una capa de aire de una altura de 10 metros. La presin atmosfrica es la pre-sin que ejerce el peso de toda la masa de una columna de aire sobre unnivel dado. Su valor al nivel del mar es aproximadamente101320 Pa =1013.2 hPa (hPa es hectoPascal = 100 Pa y Pa es Pascal, la unidad demedida de la presin, este valor se obtiene de la frmula baromtrica

gh p0 gh p p Hg o Hg o === , conh = 76 cm , altura que se eleva la

columna de mercurio por efecto de la presin atmosfrica, es la densi-dad del mercurio igual a13595 kg/m 3 y g es la aceleracin de gravedadigual a9.8 m/s 2). Esto es equivalente a la presin que produce una masade 1.013 kilogramos sobre cada cm2 de superficie. Esto significa que


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nuestro cuerpo, que tiene una superficie aproximada de 20 000 cm2 so- porta el equivalente a 20 000 kg de masa atmosfrica.

Segn la teora cintica de los gases, la presin de un gas es la fuerzaejercida sobre una superficie por los continuos choques de las molculasdel gas en movimiento. Dos factores determinan la presin que un gas particular ejerce sobre una superficie: la temperatura y la densidad; estastres variables se relacionan entre s por una ley fsica llamada ecuacin deestado de gases ideales. Considerando el primer factor, la presin atmos-frica es proporcional a la temperatura. Si se eleva la temperatura del airemanteniendo la densidad constante, la rapidez de las molculas de aireaumenta, y por lo tanto su fuerza, generando aumento de presin. Inver-

samente si la temperatura disminuye. Esta es la razn por la cual un pro-ducto aerosol envasado en lata a presin tiene la advertencia de precau-cin de mantenerlo fuera del alcance de fuentes de calor, ya que al calen-tarse el envase, puede producirse una fuerte explosin si la presin inter-na del gas excede la resistencia del envase. Por el segundo factor, la pre-sin atmosfrica es tambin proporcional a la densidad, esto es al nmerode molculas de gas por unidad de volumen, tal que si la densidad au-menta, la presin aumenta. Inversamente si la densidad disminuye.

Debido a que la presin del aire aumenta con la temperatura, se deberaesperar que en los das ms clidos la presin sea ms alta y en los dasms fros mas baja. Pero este no es el caso. Sobre los continentes en lati-tudes medias por ejemplo, las ms altas presiones se registran en inviernocuando las temperaturas son mas bajas. En la atmsfera, en das fros lasmolculas de aire se mueven ms lentamente y se encuentran ms juntas, por lo que el aire tiene mayor densidad, tal que la disminucin del movi-miento molecular (disminucin de temperatura) es sobrecompensado conel aumento del nmero de molculas por unidad de volumen (aumento dedensidad) que ejercen presin, resultando en un aumento neto de presin,

es decir la presin es mayor en das fros (invierno). Inversamente en dasclidos (verano) la presin disminuye.


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Esto tambin explica la disminucin de presin con la altura. A medidaque nos elevamos en la vertical, disminuye la densidad del aire porquehay menor masa de aire en niveles mas altos y por lo tanto disminuye la presin. Esta disminucin, como ya se vio, no es constante, sino que esmayor ms cerca de la superficie. La presin disminuye cerca de 1.2 hPacada 10 metros de elevacin en la vertical en las capas ms bajas, de talmanera que hasta 5 km de altura la presin disminuye aproximadamente100 hPa cada un kilmetro.

7.2 VIENTO.

Se llamavientoal movimiento del aire, y es un resultado de las diferen-cias de presin atmosfrica, atribuidas sobre todo a las diferencias detemperatura. Debido a que el calentamiento diferencial en superficie ge-nera las diferencias de presin, la desigual distribucin de la radiacinsolar, junto con las diferentes propiedades trmicas de las superficies te-rrestres y ocenicas, son los responsable de la formacin del viento. Elaire fluye desde las reas de altas presiones a las de baja presin, por loque el viento no es mas que un intento natural por balancear las diferen-cias de presin de gran escala.

Existen otros factores que afectan al viento. Si la Tierra no girara y si nohubiera friccin, el aire se movera directamente desde las reas de altas presiones a las de baja presin. Pero como ambos efectos existen, el vien-to es controlado por una combinacin de esos factores: la fuerza las va-riaciones de presin, el efecto de la rotacin terrestre y la friccin del airecon la superficie.

Una fuerza en fsica se identifica por el efecto que produce. Uno de susefectos es cambiar el estado de reposo o de movimiento de un objeto,

cambia la velocidad del objeto, es decir produce una aceleracin, esto esun aumento o disminucin del valor del viento o un cambio en su direc-cin, o ambos. Cuando la fuerza neta actuando sobre una partcula es ce-


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ro, esta se mueve con rapidez constante o se encuentra detenida. Unafuerza se mide en el Sistema Internacional en Newton , smbolo N .

7.2.1 Fuerza de las variaciones de presin.

Por las leyes de la dinmica de Newton, las causas que producen el mo-vimiento son las fuerzas. Las variaciones de presin producen una fuerza,llamada fuerza del gradiente de presin,que contribuye a la formacindel viento. Cuando una masa de aire es sometida a una mayor presin aun lado que al otro, el desbalance produce una fuerza dirigida desde lazona de alta presin a la de baja presin en forma perpendicular a las iso-

baras, cruzndolas en ngulo recto. Esta diferencia de presin entre lasaltas y las bajas presiones, produce el viento, y mientras mayor es la dife-rencia entre dos lugares, mayor es el viento en esa regin.

Se llamanisobarasa las lneas que unen puntos de igual presin, simila-res a las isotermas. Los datos de presin en superficie se dibujan por me-dio de isobaras sobre mapas, cuyo resultado se llamacarta de tiempo, carta sinpticao carta de presin. La separacin entre las isobaras indi-ca las variaciones de presin sobre el mapa, a estas variaciones de pre-sin se le llama gradiente de presin. En el mapa, donde los isobaras es-tn ms juntas, indican un gradiente de presin grande que produce vien-tos ms fuertes, y donde los isobaras estn ms separadas, el gradiente de presin es mas pequeo y el viento es ms dbil.

En la figura 7.1 se observan las isobaras en una carta sinptica de Suda-mrica, para un da representativo de una situacin meteorolgica cual-quiera, obtenida con valores reales de presin en superficie. Las lneas entonos verde a violeta representan reas de bajas presiones y las de tonoamarillo a rojo altas presiones. Del mapa se puede destacar, por ejemplo

frente a la zona central de Chile, un centro de baja presin (asociado alcinturn de bajas presiones subpolares, ver captulo 8) centrado en 35 S,75 W, con valores inferiores a 1006 hPa, con un fuerte gradiente de pre-sin como se puede ver por el agrupamiento de isobaras en esa zona, lo


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Fsicamente la fuerza de Coriolis no es una fuerza real, aunque en lasecuaciones de movimiento se la trata como tal, porque produce un efectosimilar al de una fuerza, esto es, aparentemente cambiar el estado de mo-vimiento de un objeto (aire o agua por ejemplo). Pero no es el objeto elque cambia su movimiento, sino que es la Tierra la que esta girando de- bajo del objeto, el cual no tiene porque estar girando junto con la Tierra,y a un observador fijo al suelo, por lo tanto girando con la Tierra, le da laimpresin que es el objeto el que se mueve, pero no es as, sino que es elobservador el que esta girando con la Tierra. Por esto se la conoce comouna fuerza aparente, es decir una fuerza que no es una fuerza o que noexiste, pero su efecto si existe en el sistema en rotacin y es desviar el

movimiento. Otra implicancia fsica de la fuerza de Coriolis es que, comono es una fuerza real, no realiza trabajo, porque siempre es perpendicular a la direccin del movimiento. Pero s hasta tiene la unidad de medida deuna fuerza!

Figura 7.2 Efecto de Coriolis en el hemisferio sur.


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La magnitud de la desviacin producida por la fuerza de Coriolis tiene lassiguientes caractersticas: (1) depende de la latitud, disminuye desde los polos, donde es mxima, hacia el Ecuador donde se anula y no se produ-ce desviacin, (2) siempre est dirigida perpendicular a la direccin delflujo, (3) afecta slo a la direccin del flujo, no su rapidez y (4) es proporcional a la rapidez del viento. De la expresin matemtica que aqu nomostramos, se pueden deducir todas estas caractersticas.

7.2.3 Friccin.

La fuerza de presin acelera el flujo desde las altas a las bajas presiones y

la de Coriolis lo desva en direccin de las isobaras. Pero la rapidez delviento no aumenta continuamente, por lo que debe existir otra fuerza quehaga mantener aproximadamente constante la rapidez del viento y por lotanto que se oponga a la fuerza de presin. De nuestra experiencia diaria,sabemos que si a un objeto en movimiento sobre una superficie se lo dejalibre, despus de un tiempo se detiene. Lo que produce esa detencin eslo que llamamos fuerza de friccin o de roce.

El efecto de la friccin en superficie es disminuir la rapidez del viento ydesviar el movimiento del aire a travs de los isobaras, hacia el rea de bajas presiones. El grado de irregularidad del terreno determina el nguloque se desva el viento respecto a los isobaras, como tambin la magnitudde su disminucin. Sobre los ocanos relativamente llanos, la friccin es pequea y el aire se desva entre 10 a 20 respecto a los isobaras y surapidez disminuye aproximadamente a 2/3 respecto de su valor si nohubiese roce. Sobre terrenos muy irregulares donde la friccin es grande,el viento se puede desviar hasta en 45 y su rapidez reducirse hasta en un50%. Este efecto de la friccin es especialmente importante cuando seconsidera el movimiento del aire alrededor de los centros de altas y bajas

presiones en superficie, los rasgos ms notorios en los mapas de tiempo,situacin que se analizar cuando se estudien los vientos en superficie(punto 7.4). El aire en movimiento es afectado por la irregularidad de lasuperficie terrestre, que produce el roce con el aire, pero a medida que


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ascendemos en la vertical, disminuye el efecto del roce. A alturas supe-riores a 1.0 1.5 km, el viento ya no es afectado por la friccin, soplandoaproximadamente paralelo a las isobaras. Esta situacin se analizar conmayor detalle cuando se estudien los vientos en altura (punto 7.5).

7.3 MEDICIN DE LA PRESION Y DEL VIENTO.

La presin se mide con un instrumento llamadobarmetro de mercurio,inventado en 1643 por el italiano Evangelista Torricelli (1608 1647).Con algunas mejoras, an se continua usando el mismo barmetro, que semuestra en la figura 7.3 izquierda. El barmetro es un tubo lleno con

mercurio que se sumerge invertido en un envase que tambin contienemercurio. Por la presin de la atmsfera sobre la superficie libre del en-vase ubicado al nivel del mar, la columna de mercurio dentro del tubo seeleva hasta 76 cm, por lo que el tubo debe ser ms largo que sta longi-tud. Al aplicar la frmula baromtrica, se obtiene el valor de la presinatmosfrica. Por esta propiedad, la presin tambin se mide en cm demercurio, en condiciones normales en superficie, la atmsfera ejerce una presin de 76 cm de Hg.

Otro medidor de presin ms porttil y manuable se llamabarmetroaneroide (aneroide significa sin lquido), se muestra en la figura 7.3 de-recha. Se basa en que a una cmara metlica hermticamente cerrada sele ha sacado una parte del aire. La cmara debe ser muy sensitiva a loscambios de presin, cambiando su forma con las variaciones de presin,tal que si la presin aumenta (disminuye) la cmara se comprime (expan-de). Si estos movimientos se transmiten por un sistema de palanca a unindicador que se mueve sobre un papel registro graduado en unidades de presin, el instrumento pasa a llamarsebarografo, que entrega un regis-tro continuo de presin sobre un papel que se llamabarograma, que se

muestra en la figura 7.4. El eje vertical corresponde a la presin, cadalnea es igual a 0.5hPa , y el eje horizontal es el tiempo, con cada lneaseparada por dos horas, se indica el valor de referencia igual a 1020hPa .


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dia 1 dia 2 dia 3 dia 4 dia 5

Figura 7.3 Barmetro de mercurio, izquierda y barmetro aneroide.

Figura 7.4 Ejemplo de barograma en Concepcin.


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La presin atmosfrica se mide en distintas unidades, las siguientes sonalgunas de las mas conocidas equivalencias para las distintas unidades demedida, correspondientes, al valor de la presin normal en superficie (lossmbolos son:atm = atmsferas, cm de Hg = centmetros de mercurio,hPa = hectoPascal, mbar = milibar y 1 hPa = 100 Pa ):

1 atm = 76 cm de Hg = 101325 Pa = 1013.25 hPa = 1013.25 mbar

El viento se mide por la direccin desde donde sopla, as un viento norte

sopla desde el norte hacia el sur. Para el viento, que es una magnitud fsi-ca vectorial, interesa conocer su rapidez y su direccin. Para medir la di-reccin del viento se usa la veleta, que se muestra en la figura 7.5, extre-mo derecho. Al pasar el aire sobre esta, se orienta en la direccin delviento, cuyo valor es transmitido en forma mecnica a un registrador enla estacin meteorolgica. La direccin se representa grficamente en unarosa de viento, donde se indica la direccin predominante en porcentaje,en un perodo de tiempo dado. Generalmente se usan las ocho direcciones principales de los puntos cardinales: N, NE, E, SE, S, SW, W, NW, don-de sus equivalentes en grados, medidos desde el norte en sentido antiho-rario son N = 360, E = 90, S = 180 y W = 270, valores con los cualesse construye la rosa de viento. El 0 se usa para indicar las calmas.

La rapidez del viento se mide con el anemmetro de cucharas, que semuestra en la figura 7.5, extremo izquierdo, y que funciona en forma si-milar al velocmetro de un vehculo. Su funcionamiento se basa en trescazoletas unidas a un brazo cada una, los cuales a su vez estn unidos aun eje vertical interior que tiene incorporado en su extremo un disco, queal girar por efecto del viento, corta la emisin de luz de un diodo LED,

esta interrupcin es captada por un fototransistor que convierte estos gi-ros en pulsos (frecuencia). La velocidad del viento ser directamente proporcional a la generacin de una mayor o menor frecuencia. El vientoqueda registrado en unanemogrma, uno de los cuales se muestra en la


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figura 7.6 para Concepcin. La lnea azul superior es la direccin delviento, en el eje vertical se representan las ocho direcciones principalesde la rosa de viento. La lnea inferior es la velocidad, con el eje verticalen m/s; el eje horizontal es el tiempo en horas; notar su alta variabilidaden pequeos intervalos de tiempo.

Figura 7.5 Veleta y anemmetro de cucharas.

Figura 7.6 Ejemplo de anemogrma de Concepcin.


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las bajas presiones. El aire siempre se mueve desde la alta hacia la baja presin (se puede ver por ejemplo cuando se desinfla un globo).

Tabla 7.1 Escala Beaufort del viento.

Escala Nombre Rapidez(km/hr) Caractersticas en alta marAlturaola (m)

Descrip-cin

Caractersticas entierra

0 Calma 0 Mar como un espejo 0 Calma Calma; el humo subeverticalmente

1 Ventolina 1-5 Se forman olas peueas, sin lascrestas de espuma. 0.1Aireligero

Se nota por humo decigarro, pero no por

veletas.

2 Muy flojo 6-11Pequeas olas an cortas; las crestas

tienen una apariencia vtrea y norompen.

0.2 Brisaligera

El viento se siente en lacara; las hojas susurran;

veleta movida por elviento

3 Flojo 12-19Olas mas grandes; las crestas seempiezan a romper; espuma de

apariencia vtrea.0.6 Brisa leve

Ramitas pequeas enmovimiento constante,viento mueve bandera

ligera.

4 Bonanci- ble 20-28Pequeas ondas, ponindose ms

largas. 1Brisa

moderadaSe levanta polvo suelto;

se mueven ramas pe-queas y papeles

5 Fresquito 29-38 Ondas moderadas, tomando unaforma larga ms pronunciada. 2Brisafresca

Los rboles pequeosempiezan a oscilar.

6 Fresco 39-49Se empiezan a formar grandes ondas;las crestas de espuma blancas estn

por todas partes ms extensas.3 Brisafuerte

Arboles grandes enmovimiento, los alam- bres del telgrafo pro-ducen silbido; dificultad

para usar paraguas

7 Fesca-chn 50-61 Mar se levanta y la espuma blanca delas olas empieza a ser soplada a lolargo de la direccin del viento4 Casiventarrn

rboles enteros enmovimiento; las moles-tias se sienten al cami-

nar contra el viento

8 Duro 62-74 Olas ligeramente altas; los bordes decrestas empiezan producir roco. 5.5 VentarrnRamitas de los rboles

se rompen.

9 Muy duro 75-88Olas altas; rayas densas de espuma alo largo de la direccin del viento;

crestas de las olas empiezan a volcar,el roco puede afectar la visibilidad.

7 VentarrnfuerteOcurre dao estructural(se desarman techum-

bres)

10 Temporal 89-103Olas muy altas con crestas colgantes;

superficie del mar asume una apa-riencia blanca; se afecta visibilidad

9 Tormenta Ocurre un dao estruc-tural considerable

11 Borrasca 104-117

Excepcionalmente olas muy altas(naves pequeas se pueden tapar

detrs de las olas); mar

completamente cubierto con espuma;se afecta la visibilidad.

11.5 TormentaviolentaMuy raramente experi-mentado; acompaado

por dao extendido

12 Huracn ms de117El aire est lleno con espuma y roco,

mar completamente blanco. Lavisibilidad se ve seriamente afectada.

14 Huracn Grandes daos engrandes regiones.


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A las isobaras cerradas o centros de bajas presiones se les llamaciclones,y al viento alrededor de esos centros se le llama circulacin ciclnica, porque tiene el mismo sentido que el de la rotacin de la Tierra: horarioen el hemisferio sur y antihorario en el hemisferio norte. A las isobarascerradas o centros de altas presiones se les llamaanticiclonesy al vientoalrededor de esos centros se le llama circulacin anticiclnica, porque esopuesto a la rotacin terrestre. Donde las isobaras son curvas sin cerrarse,a las regiones de altas presiones se les llamacuas y a las de bajas pre-sionesvaguadas. La lnea que une los puntos de mayor (menor) presinen las cuas (vaguadas) se llama eje de cua (vaguada). El viento en lascuas es anticiclnico y en los vaguadas ciclnico. Como se ha visto, por

efecto de la friccin se tiene el movimiento del aire con una componentehacia el centro del cicln producindoseconvergencia, y desde los cen-tros de altas presiones el flujo es hacia afuera del anticicln, generndosedivergencia.Estos aspectos se observan en la figura 7.7, el diagrama esvlido para el hemisferio sur. Ahora se puede hacer una interpretacinmas completa de la situacin real de la carta sinptica de superficie mos-trada en la figura 7.1, anlisis que se deja al alumno.

Figura 7.7 Circulacin del viento en torno a los centros de altas y bajas presiones en el hemisferio sur.


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7.4.1 Movimiento vertical del aire.

Una componente fundamental del viento es el movimiento vertical, espe-cialmente el ascendente por su importancia en la formacin de nubes. Por lo tanto interesa conocer como el viento horizontal se relaciona con elmovimiento vertical. El aire que converge hacia un centro ciclnico ge-nera un movimiento vertical hacia arriba. Este aire ascendente producecondensacin, formacin de nubes y precipitacin, por lo que un ciclnest asociado con atmsfera inestable y mal tiempo. Pero en realidad, uncicln en superficie se origina porque en altura se crea una regin dedivergencia de aire. Esta divergencia en altura succiona el aire de niveles

inferiores, produciendo el ascenso del aire sacndolo desde superficie, loque genera la baja de presin, como se ilustra en la figura 7.8 en un es-quema para el hemisferio norte. De manera similar, en un anticicln ensuperficie hay divergencia del viento y subsidencia que es generada por una convergencia en altura. La subsidencia comprime el aire, por lo quese calienta, evitando la formacin de nubes y produciendo buen tiempo.

Figura 7.8 Movimiento vertical del aire producido por convergencia ydivergencia.


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Por esto, lo que en meteorologa se llama tendencia de la presin nosda una indicacin del tiempo que se aproxima y es til en los pronsticosde corto plazo. La tendencia de la presin es la variacin de presin en eltiempo, se mide cada 3 horas en unidades dehPa/horas . Para la tendenciade la presin se usan los trminos de subiendo, que significa aumentandola presin, indicativo que se producir buen tiempo, bajando la presinatmosfrica, indicativo de aproximacin de mal tiempo y estacionaria querepresenta sin cambio significativo de tiempo presente. Se usan tambintrminos intermedios como por ejemplo subiendo lento, luego estaciona-ria. En los barmetros caseros se indica la tendencia de la presin con

trminos como despejado, nublado, lluvia, si la presin es mayor, esta-cionaria o menor que la normal respectivamente.

Ya explicamos en un captulo 5 que los factores que contribuyen a pro-mover el movimiento vertical del aire son la convergencia y divergencia por friccin, las montaas, un frente o calentamiento en superficie. Ahorase pueden entender mejor los pronsticos del tiempo de la televisin,donde los malos son los ciclones.

7.5 VIENTOS EN ALTURA.

A medida que ascendemos en la vertical, el efecto de la friccin del vien-to con la superficie disminuye hasta anularse sobre 1.0 - 1.5 km de altura.Por arriba de ese nivel, la fuerza de presin se equilibra con la de Corio-lis, es decir, ambas son de igual magnitud pero apuntando en sentidosopuestos, por lo que se anulan entre si, haciendo que el aire se mueva pa-ralelo a las isobaras con rapidez constante. A este flujo, producto sola-mente del balance entre esas dos fuerzas, se le llama viento geostrfi-

co, donde geostrfico significa girado por la Tierra, y representa muy bien al viento real. El viento geostrfico es ms (menos) intenso dondelas isobaras estn ms cercanas (separadas), y sopla dejando las altas pre-


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siones a la izquierda y las bajas presiones a la derecha en el HemisferioSur. La situacin inversa se tiene en el Hemisferio Norte.

Las cartas sinpticas de altura se dibujan en los niveles estndar de pre-sin fijos (por ejemplo 900, 850, etc hPa), donde en lugar de graficar isobaras, se dibujan lneas de igual altura, esto es lneas donde se tiene elvalor de la altura a la que se encuentra el valor de presin considerado.Por ejemplo sobre una carta de altura de 500 hPa, la isolinea de 5700 msignifica que en esa isolinea, es decir a esa altura, la presin tiene un va-lor de 500 hPa. El comportamiento del viento en las cartas de altura, essimilar a su comportamiento sobre los mapas de presin, pero ahora yano se nota el efecto de la friccin y el viento se considera geostrfico. En

la figura 7.9 se muestra una carta sinptica para el nivel de 500 hPa, co-rrespondiente a la misma situacin sinptica de la carta de presin en superficie mostrada en la figura 7.1. Se pueden apreciar los centros de altasy bajas presiones, y siguiendo la orientacin y separacin de las isolneas(interpretar slo las lneas negras), obtener la direccin del viento en esenivel y comparar su intensidad relativa. Es bueno que el alumno comparetambin el comportamiento de la presin y del viento en este nivel con elde superficie, correspondiente a la figura 7.1.

7.6 RELACION ENTRE PRESION Y VIENTO.

Puesto que las teoras acerca del movimiento del aire no pueden exponer-se sin deducciones matemticas complejas, resumiremos algunos aspec-tos cualitativos del movimiento de la atmsfera, que se deducen del estu-dio anterior y de las figuras 7.1 y 7.9.

a) El viento en altura sopla aproximadamente a lo largo de las isobaras,dejando en el hemisferio sur a su izquierda las altas presiones y a su

derecha las bajas. Lo contrario se produce en el hemisferio norte. Estadiferencia entre ambos hemisferios es consecuencia del diferente sen-tido de la rotacin terrestre: horaria en el hemisferio sur y antihorariaen el hemisferio norte.


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b) El viento en capas bajas no sigue exactamente las isobaras, sino quetiende a fluir hacia el lado en que la presin es ms baja. No obstantea medida que ascendemos en la vertical esta desviacin tiende a des-aparecer. Esto induce a pensar que la desviacin se debe a la friccinen superficie, y por eso este efecto no se produce a mayor altura.

c) El viento es fuerte donde las isobaras estn muy agrupadas y dbildonde estn mas separadas. No considerando el efecto de la friccin,da la impresin de que el viento fluye por los canales isobricos, demanera que su velocidad es proporcional a la separacin entre las isobaras.

Figura 7.9 Carta sinptica de la altura de 500 hPa.


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d) Si se pudiera medir la aceleracin de una partcula de aire, se encon-trara que estas aceleraciones son muy pequeas. En la gran escala,despreciando las rfagas y fluctuaciones de perodo corto, las acelera-ciones son del orden de los 0.0002 m/s2. En los grandes sistemas devientos el aire comienza movindose con lentitud, pero cuando ha ad-quirido velocidad, la mantiene constante durante largo tiempo.

e) Si midiramos la componente vertical del movimiento, encontrara-mos que es grande en tormentas, tornados, huracanes y similares, ascomo en los remolinos muy pequeos o turbulencia. Pero consideran-do corrientes atmosfricas de gran escala, se encuentra que el movi-

miento es predominante horizontal; para tener una referencia, digamosque el viento horizontal es del orden de 10 m/s, en cambio la compo-nente vertical del viento es del orden de 0.01 m/s.

7.7 TORNADOS.

Un tornado es un inmenso tnel de aire constituido por vientos ciclnicosque se produce durante tormentas de gran intensidad, una columna deaire que gira violentamente desde la base de una nube cumulonimbushasta la superficie de la tierra. Se ha encontrado, por medio del examende las variaciones de la presin atmosfrica en las estaciones meteorol-gicas prximas a los tornados, que estos vrtices suelen formarse en elseno de masas mayores de aire en rotacin. La mayora de los tornados seoriginan en el interior de tormentas de especial magnitud y violencia, alas que se llama superceldas.

Estos potentes sistemas se desarrollan en entornos hidrostticamente muyinestables, en los que los vientos varan claramente con la altura y hay

aire fro y seco encima del aire clido y hmedo que descansa sobre lasuperficie de la Tierra, y que tiene aproximadamente kilmetro y mediode espesor. Una delgada capa estable separa las dos masa de aire e impi-de que se desencadene la inestabilidad hidrosttica. Esta estabilidad se


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puede perturbar si el aire inferior se calienta por la accin solar, o si in-terviene algn otro mecanismo (una corriente en chorro, o un frente msclido, etc) que empuje el aire hacia arriba. Como la presin atmosfricadisminuye con la altura, las partculas que ascienden con esta corrienteclida se expandirn y enfriarn. Llegar un momento en que estn lo bastante fras como para que el agua que contienen se empiece a conden-sar, formando la base plana de una nube.

El calor que se desprende al enfriarse estas gotas, se transmite al aire cir-cundante, que asciende hasta grandes alturas, a velocidades en ocasionesincluso mayores de 250 km/h. La variacin en la inclinacin del vientocon la altura hace que esa corriente de aire se incline. Las gotitas de aire

que se haban enfriado, continan ascendiendo y condensndose hastaque el peso de las gotas formadas compensa la corriente ascendente quelas empuja y entonces comienzan a moverse horizontalmente, formandoel yunque caracterstico de los cumulonimbos. La rotacin de la tormentava empujando progresivamente a la lluvia y la corriente descendente al-rededor de la corriente ascendente mencionada antes. Sin embargo, elaire fresco tiene mayor humedad que el clido, y al ser empujado haciaarriba (por aspiracin de la corriente ascendente), crea nubes de menor altura, originando una masa nubosa oscura llamada forro de la base.

7.7.1 Formacin de los tornados.

La formacin de capas de nubes y corrientes de aire es lo que se denomi-na una supercelda, cada una con su corriente ascendente giratoria coexis-tiendo con otra corriente descendente. Cuando esta formacin pervive eltiempo suficiente, provoca la aparicin de un tornado.

Cuando una masa de aire clido y hmedo penetra a travs de la capa es-

table situada encima de una superclula, asciende a travs del aire frescoy seco. Las partculas calientes se ven frenadas, descienden y provocan precipitacin. La lluvia que cae de la tormenta proviene de esta corrienteclida enfriada. La rotacin de la superclula desplaza parte de la lluvia y


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del aire fresco, llevndolos al lado opuesto de la corriente clida enfriada.Cerca del suelo, el aire clido y el aire enfriado por la lluvia gira y chocacon los vientos superficiales, y es aqu donde se forma un tornado. Lafigura 7.10 muestra la ocurrencia de un tornado sobre el mar.

Figura 7.10 Imagen de un tornado sobre el mar.

Las partculas de aire suben hacia arriba cuando penetran en la corrienteascendente, sin perder del todo su vorticidad. Se produce entonces cercadel suelo una corriente ascendente que gira ciclnicamente. Sin embargo,esto se produce a una cierta altura sobre el suelo, y no explica las fuertescorrientes que se producen a nivel del suelo. La rotacin del aire en losniveles bajos depende de la corriente descendente, no de la ascendente.

Se origina al norte del cicln, en el aire moderadamente enfriado por lalluvia que desciende lentamente, pero girando en torno a la corriente as-cendente. Parte del aire fresco de la descendente entra en contacto con elaire clido de la ascendente. Esta porcin de aire intermedio, se ve arras-


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trada por el lado izquierdo hacia arriba, con la ascendente, y arrastradahacia abajo por el aire fro de la descendente. En consecuencia, el airefro empieza a girar pero al descender, su eje de rotacin se va inclinan-do, dando lugar a un giro anticiclnico.

Al rozar esa masa de aire giratoria con el suelo, se crea en contacto con elsuelo el tornado. El rozamiento con el suelo hace que la parte central delviento giratorio se retrase un poco respecto al exterior, provocando elmismo efecto que al girar una cucharilla en una taza de caf: la fuerzacentrfuga hace que se produzca una aspiracin hacia dentro, creando uncono de vaco en el centro del tornado, formando un vrtice.

7.7.2 Clasificacin de los tornados.

Los tornados se clasifican segn la velocidad del viento y el poder dedestruccin que dejan a su paso. La escala Fujita, que se da en la tabla7.2, es la utilizada para medir la intensidad y velocidad de los tornados,as como el dao que causan. Para clasificar los tornados se utilizan la Fdel nombre de la escala y los nmeros del 0 a 6 dependiendo de la velo-cidad del viento y los posibles daos.

Tabla 7.2. Escala Fujita.

Escala Daos Viento km/h Intensidad Duracin FrecuenciaF-0 Ligeros hasta 115 DbilF-1 Moderados 115 a 180 Moderado

1 a 10minutos

70 % deltotal

F-2 Considerables 180 a 250 FuerteF-3 Severos 250 a 330 Muy fuerte

Mas de 20minutos

28 % deltotal

F-4 Devastadores 330 a 420 ViolentoF-5 Increbles 420 a 510 Muy violento

Mas deuna hora

2 % deltotal

F-6 Inconcebibles 510 a 610** Los ltimos estudios indican que no se pueden alcanzar estos vientos.


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7.8 HURACANES.

Un Huracn es una gran perturbacin que se produce en regiones tropica-les de la atmsfera donde las aguas del ocano son relativamente clidas(temperatura alrededor de 28 C). Se caracteriza por un gran centro de baja presin, en torno al cual el aire gira a gran velocidad abarcando unaextensin de varios cientos de kilmetros. Los huracanes tienen una ana-toma y una clasificacin propia, que depende de la intensidad de losvientos, de la presin atmosfrica y de los daos potenciales que puedecausar. Segn el lugar del planeta donde se producen, se los conoce condiferentes nombres, en el ocano Indico comociclones, en el Pacfico

tropical occidental comotifonesy frente a las costas de Australia se loslleg a conocer popularmente comoWilly-Willys.

Los ciclones se clasifican segn la intensidad de sus vientos en:

a) Cicln tropical : Sistema formado por nubes con movimiento definidocon vientos mximos sostenidos menores a 60 km/h. Est consideradoun cicln tropical en fase formativa.

b) Tormenta tropical : Sistema formado por nubes con movimientodefinido, cuyos vientos mximos sostenidos varan entre 61 y 120km/h.

c) Huracn: Es un cicln tropical de intensidad mxima en donde losvientos mximos alcanzan y superan 120 km/h. Han llegado a medirsehasta 250 km/h en los vientos de los huracanes ms violentos. Tienenun ncleo definido de presin en superficie muy baja, que puede ser inferior a 930 hPa.

7.8.1 Formacin de los huracanes. Un huracn se forma a partir de una tormenta tropical, y es formalmenteidentificado como tal, asignndosele un nombre, cuando el viento cerca


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de la superficie supera los 120 km/h. La energa que requiere un huracn para mantener su actividad proviene de la liberacin de calor que se pro-duce en el proceso de condensacin del vapor de agua que se evaporadesde la superficie del ocano, formando nubosidad e intensa precipita-cin. Cuando un huracn entra en el continente pierde rpidamente inten-sidad al detenerse el proceso de fuerte evaporacin desde la superficie.Un huracn bien desarrollado posee un ncleo central sin nubosidad, deun dimetro entre 10 y 50 km, donde el aire desciende. Esta regin sedenomina el ojo del huracn. Los vientos asociados a un huracn puedena veces exceder los 250 km/h. A diferencia de los tornados, la vida mediade un huracn puede variar desde unos pocos das hasta varias semanas.En la figura 7.11 se muestra una imagen del huracn Mitch, que paso en

octubre de 1998 sobre el mar Caribe y Centroamrica, produciendo cuan-tiosos daos, uno de los mas devastadores de la dcada del 90.

Figura 7.11. Huracn Mitch, octubre de 1998.


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El huracn funciona como una mquina sencilla de vapor, con aire ca-liente y hmedo proveyendo su combustible. Cuando los rayos del solcalientan las aguas del ocano, el aire hmedo se calienta, se expande ycomienza a elevarse como lo hacen los globos de aire caliente. Ms airehmedo remplaza ese aire y comienza ese mismo proceso de nuevo. Larotacin de la tierra eventualmente le da movimiento en forma circular aeste sistema, el que comienza a girar y desplazarse como un gigantescotrompo. Como en todo cicln, este giro se realiza en sentido horario en elhemisferio sur y antihorario en el hemisferio norte.

7.8.2 Estructura de los huracanes.Los huracanes tpicos tienen unos 300 km de ancho aunque pueden variar considerablemente de tamao. En todos ellos se diferencian claramentetres elementos:

a) El ojo del huracn, es un rea de relativa calma en el centro de unhuracn, un dimetro entre 10 y 50 km, que se extiende desde el niveldel mar hasta el extremo superior y est rodeado por una pared de nubes espesas cargadas de lluvia. En el interior del ojo, sin embargo, debido a la alta temperatura y a la presencia de viento caliente, el aguaevaporada es arrastrada rpidamente hacia arriba, originndose un aireseco, incapaz de condensarse, y por ende sin nubes. Esto es lo quems llama la atencin al observar el huracn desde un satlite, en lafigura 7.10 se puede apreciar claramente el ojo del huracn Mitch.

b) Las paredesdel ojo del huracn, es una zona donde se encuentran dosfuerzas opuestas: la fuerza del aire que se mueve hacia el centro y lafuerza centrfuga que es hacia afuera. En la pared del ojo se encuen-

tran los vientos ms intensos.c) Lasbandas exteriores de tormentas, de variacin variable y que pue-

den extenderse por un ancho de hasta 1500 km del centro y entre 100


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a 500 km de largo. La fuerza de los vientos puede extenderse fuera delos huracanes desde aproximadamente unos 50 km en un huracn pe-queo a ms de 250 km en uno grande.

7.8.3 Clasificacin de los huracanes.

La escala Saffir-Simpson, desarrollada a principios de los aos 70 delanterior siglo por el Ingeniero Herber Saffir y el director del Centro Na-cional del Huracanes, Robert Simpson, corresponde a una escala que in-dica los daos potenciales que puede provocar un huracn, se da en latabla 7.3. La presin se refiere al valor mnimo, que se produce en el ojo

del huracn.

Tabla 7.3. Escala Saffir-Simpson.

Categora Daos Viento km/h Presin hPa1 Mnimos 120 a 150 Superior a 9802 Moderados 151 a 180 965 a 9793 Extensos 181 a 210 945 a 9644 Extremos 211 a 250 920 a 944

5 Catastrficos ms de 250 Menor a 920

7.9 PRESIN Y VIENTO EN CONCEPCIN.

7.9.1 Valores medios.

Con los datos de la estacin meteorolgica Bellavista del Departamento

de Fsica de la Atmsfera y del Ocano de la Universidad de Concepcin,se hace una descripcin del rgimen de presin y viento en superficie enConcepcin. En la figura 7.12 de presin en superficie, los valores co-rresponden a los extremos mximos o mnimos absolutos que se han me-dido alguna fecha determinada de cada mes en la estacin, durante el pe-


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rodo desde 1965 a 2000. Estos valores no son del todo representativo delos promedios mensuales, ya que es solo un valor puntual extremo en ca-da mes, de todas formas da una idea del comportamiento de la presindurante el ao. Se observa para los mximos de presin, que los mayoresvalores se concentran en los meses de invierno y disminuyen en los me-ses de altas temperaturas, que los mximos mas frecuentes de presin sehan registrado en torno a los 1030 hPa y que el mayor valor de presin ensuperficie medido en Concepcin no ha superado nunca los 1040 hPa.Los mnimos de presin tambin se concentran en los meses de invierno,con el menor mnimo medido en julio, indicando que este valor no hasido nunca inferior a 990 hPa y durante los otros meses del ao los m-nimos de presin se concentran en torno a los 1005 hPa.

Figura 7.12

En la figura 7.13 se muestra la rosa de viento promedio anual de Concep-cin, los valores indican la frecuencia porcentual de la direccin del vien-


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to respecto al nmero total de casos del ao, para observaciones registra-das tres veces al da, es decir el mximo posible de observaciones de unao es 1095. Se observa una alta frecuencia de viento desde el sector sur a suroeste, generado por el predominio de las altas presiones del antici-cln del Pacfico sur, situacin que se produce durante los meses de buentiempo. En cambio durante el perodo de lluvias se tiene una alta fre-cuencia de viento desde el norte, producido por los ciclones que acompa-an a los sistemas frontales de mal tiempo. El viento predominante enConcepcin es del suroeste y cuando cambia su direccin a viento norteindica la aproximacin de un sistema frontal con bajas presiones y pro- bable mal tiempo.

Figura 7.13


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7.9.2 Viento horario.

En las figuras 7.14 y 7.15 se muestra el comportamiento horario del vien-to, donde las flechas indican su direccin e intensidad en m/s, para losdas del solsticio de invierno y de verano del 2000 en Concepcin.

El 21 de junio, figura 7.14, la direccin del viento fue durante todo el dadesde el sector norte, con intensidades que durante la madrugada bordea-ron los 5 m/s (20 km/hr), pero durante el da comenz a aumentar la in-tensidad registrndose valores del orden de 10 m/s (40 km/hr), hasta al-canzar valores que la noche siguiente superaron los 15 m/s (60 km/hr),

que ya son valores tpicos del comienzo de un temporal en nuestra regin(escala 7 de Beaufort).

Figura 7.14

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36-20

-15

-10

-5

0

5VIENTO HORARIO EN CONCEPCION, 21 DE JUNIO DE 2000

HORAS

V ( m / s )


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El 21 de diciembre, figura 7.15, las primeras 12 horas la intensidad delviento fue muy baja, con valores casi de calma y algunos mximos de baja intensidad a ciertas horas. La direccin hasta ese momento se mues-tra errtica y muy variable, lo que es normal, porque cualquier leve rfa-ga de viento orienta la veleta en la direccin de la rfaga, que es al azar.Pasado el medioda se observa un notable aumento en la intensidad delviento, ya que comienza a sentirse el efecto de la radiacin solar, hastaque se registra un mximo del orden de 10 m/s a las 18 horas, aproxima-damente una hora despus del mximo de temperatura, y la direccin seestabiliza a un valor predominante de viento sur en este caso. Este comportamiento es lo real y caracterstico del rgimen de viento en Concep-cin: en poca de buen tiempo, con rgimen anticiclnico, las calmas

predominan durante la noche y el viento es mximo desde el sector sur -suroeste en horas de la tarde, en tanto que en perodo de mal tiempo bajorgimen ciclnico, el viento en general es intenso con direccin predomi-nante desde el norte, de acuerdo con la figura 7.13.

Figura 7.15

-3 0 3 6 9 12 15 18 21 24-10

-5

0

5

10

15VIENTO HORARIO EN CONCEPCION 21 DICIEMBRE 2000

HORAS

V ( m / s )


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PREGUNTAS.

1. Cmo se relacionan entre s las variables presin atmosfrica, tempe-ratura y densidad del aire?

2. Describir el principio de funcionamiento de los barmetros de mercu-rio y aneroide.

3. Deducir una expresin que relacione la magnitud del viento con lavariacin de presin y la separacin de las isobaras.

4. Usando el resultado de la pregunta anterior, estimar la rapidez delviento entre Concepcin y Chilln, si la presin medida en ambos lu-gares es 1020 hPa y 1018 hPa, respectivamente.

5. Explicar el efecto de la rotacin terrestre sobre el movimiento del aire.

6. Explicar el efecto de la friccin sobre el movimiento del aire.

7. Qu diferencia existe entre el viento geostrfico y el viento real?

8. Bosquejar un esquema de presiones con un cicln sobre Concepcin yun anticicln en el Pacfico adyacente, que muestre las isobaras, vien-tos en superficie, vaguadas, cuas, convergencias y divergencias.

9. Para que se utiliza el trmino tendencia de la presin?

10. Explicar la formacin de un tornado.

11. Dibujar un esquema de la estructura de un huracn.

12. La tabla da el nmero de observaciones para un promedio anual de 15aos de datos, por cada direccin del viento, en la estacin Bellavista


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del DEFAO. Dibujar e interpretar la rosa de viento. Si quiere o si tieneganas, transforme el nmero de casos a porcentaje.

Direccin N NE E SE S SW W NW Calmas N casos 234 19 8 30 168 272 101 52 221% casos

presion y vientos

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