Cizalladura del viento
Diferencia en la velocidad o dirección del viento en una distancia corta
Columnas de cristales de hielo de Cirrus uncinus que muestran cizalladura del viento de alto nivel, con cambios en la velocidad y dirección del viento

La cizalladura del viento ( / ʃ ɪər / ; también escrita windshear ), a veces denominada gradiente de viento , es una diferencia en la velocidad y/o dirección del viento en una distancia relativamente corta en la atmósfera . La cizalladura atmosférica del viento normalmente se describe como cizalladura vertical u horizontal del viento. La cizalladura vertical del viento es un cambio en la velocidad o dirección del viento con un cambio en la altitud. La cizalladura horizontal del viento es un cambio en la velocidad del viento con un cambio en la posición lateral para una altitud dada. [1]

La cizalladura del viento es un fenómeno meteorológico de microescala que ocurre en una distancia muy pequeña, pero puede estar asociada con características meteorológicas de escala mesoescalar o sinóptica, como líneas de turbonadas y frentes fríos. Se observa comúnmente cerca de microrráfagas y ráfagas descendentes causadas por tormentas eléctricas , frentes, áreas de vientos de bajo nivel localmente más altos denominados chorros de bajo nivel, cerca de montañas , inversiones de radiación que ocurren debido a cielos despejados y vientos en calma, edificios, turbinas eólicas y veleros. La cizalladura del viento tiene efectos significativos en el control de una aeronave y ha sido la única causa o una causa contribuyente de muchos accidentes de aviación.

El movimiento del sonido a través de la atmósfera se ve afectado por la cizalladura del viento, que puede doblar el frente de onda, haciendo que los sonidos se escuchen donde normalmente no se escucharían. La fuerte cizalladura vertical del viento dentro de la troposfera también inhibe el desarrollo de ciclones tropicales , pero ayuda a organizar tormentas eléctricas individuales en ciclos de vida más largos que luego pueden producir condiciones meteorológicas severas . El concepto de viento térmico explica cómo las diferencias en la velocidad del viento a diferentes alturas dependen de las diferencias de temperatura horizontales y explica la existencia de la corriente en chorro . [2]

Los vientos descendentes con la virga asociada permiten que estas nubes en el cielo oriental, en el crepúsculo civil, imiten la aurora boreal en el desierto de Mojave .

Definición

La cizalladura del viento se refiere a la variación de la velocidad del viento en distancias horizontales o verticales. Los pilotos de aviones generalmente consideran que una cizalladura del viento significativa es un cambio horizontal en la velocidad aerodinámica de 30 nudos (15 m/s) para aeronaves ligeras, y cerca de 45 nudos (23 m/s) para aviones de pasajeros a altitud de vuelo. [3] Los cambios de velocidad vertical mayores de 4,9 nudos (2,5 m/s) también se califican como cizalladura del viento significativa para aeronaves. La cizalladura del viento a baja altura puede afectar la velocidad aerodinámica de la aeronave durante el despegue y el aterrizaje de maneras desastrosas, y los pilotos de aviones de pasajeros están entrenados para evitar toda cizalladura del viento por microrráfagas (pérdida por viento en contra de más de 30 nudos [15 m/s]). [4] La justificación de esta precaución adicional incluye: [ cita requerida ]

  • La intensidad de las microrráfagas puede duplicarse en un minuto o menos,
  • Los vientos pueden cambiar a vientos cruzados excesivos,
  • 40–50 nudos (21–26 m/s) es el umbral de supervivencia en algunas etapas de operaciones a baja altitud, y
  • Varios de los accidentes históricos causados ​​por cizalladura del viento implicaron microrráfagas de entre 35 y 45 nudos (18 y 23 m/s).

La cizalladura del viento también es un factor clave en la formación de tormentas eléctricas severas. El peligro adicional de turbulencia a menudo está asociado con la cizalladura del viento. [ cita requerida ]

Aparición

Esquema de una microrráfaga de la NASA. La dirección de propagación es descendente hasta que la corriente de aire toca el nivel del suelo, momento en el que se propaga hacia afuera en todas direcciones. El régimen de vientos en una microrráfaga es completamente opuesto al de un tornado. [ cita requerida ]

Las situaciones climáticas en las que se observa cizalladura incluyen:

  • Frentes meteorológicos . Se observa una cizalladura significativa cuando la diferencia de temperatura a lo largo del frente es de 5 °C (9 °F) o más, y el frente se mueve a 30 nudos (15 m/s) o más rápido. Debido a que los frentes son fenómenos tridimensionales, la cizalladura frontal se puede observar a cualquier altitud entre la superficie y la tropopausa , y por lo tanto se puede ver tanto horizontal como verticalmente. La cizalladura vertical del viento sobre frentes cálidos es una preocupación mayor para la aviación que cerca y detrás de frentes fríos debido a su mayor duración. [2]
  • Corrientes en chorro de nivel superior. Asociadas a las corrientes en chorro de nivel superior se encuentra un fenómeno conocido como turbulencia en aire despejado (CAT), causado por la cizalladura vertical y horizontal del viento conectada al gradiente del viento en el borde de las corrientes en chorro. [5] La CAT es más fuerte en el lado de cizalladura anticiclónica del chorro, [6] generalmente al lado o justo debajo del eje del chorro. [7]
  • Corrientes en chorro de bajo nivel. Cuando se forma un chorro de bajo nivel nocturno sobre la superficie de la Tierra antes de un frente frío, puede desarrollarse una importante cizalladura vertical del viento de bajo nivel cerca de la parte inferior del chorro de bajo nivel. Esto también se conoce como cizalladura del viento no convectiva, ya que no se debe a tormentas eléctricas cercanas. [2]
  • Montañas. [8]
  • Inversiones . Cuando en una noche clara y tranquila se forma una inversión de radiación cerca del suelo, la fricción no afecta al viento por encima de la parte superior de la capa de inversión. El cambio en el viento puede ser de 90 grados en dirección y 40 nudos (21 m/s) en velocidad. Incluso a veces se puede observar un chorro de bajo nivel nocturno (durante la noche). Suele ser más fuerte hacia el amanecer. Las diferencias de densidad causan problemas adicionales a la aviación. [2]
  • Ráfagas descendentes . Cuando se forma un límite de salida debido a una capa poco profunda de aire enfriado por la lluvia que se extiende cerca del nivel del suelo desde la tormenta principal, tanto la velocidad como la cizalladura direccional del viento pueden resultar en el borde delantero del límite tridimensional. Cuanto más fuerte sea el límite de salida , más fuerte será la cizalladura vertical del viento resultante. [9]

Componente horizontal

Frentes meteorológicos

Los frentes meteorológicos son límites entre dos masas de aire de diferentes densidades o diferentes propiedades de temperatura y humedad, que normalmente son zonas de convergencia en el campo de viento y son la principal causa de un clima significativo. Dentro de los análisis del clima de superficie, se representan utilizando varias líneas y símbolos de colores. Las masas de aire generalmente difieren en temperatura y también pueden diferir en humedad . La cizalladura del viento en la horizontal ocurre cerca de estos límites. Los frentes fríos presentan bandas estrechas de tormentas eléctricas y clima severo y pueden estar precedidos por líneas de turbonadas y líneas secas . Los frentes fríos son límites de superficie más definidos con una cizalladura del viento horizontal más significativa que los frentes cálidos. Cuando un frente se vuelve estacionario , puede degenerar en una línea que separa regiones de diferente velocidad del viento, conocida como línea de cizalladura , aunque la dirección del viento a través del frente normalmente permanece constante. En los trópicos , las ondas tropicales se mueven de este a oeste a través de las cuencas del Atlántico y el Pacífico oriental . La cizalladura direccional y de velocidad puede ocurrir a lo largo del eje de las ondas tropicales más fuertes, ya que los vientos del norte preceden al eje de las olas y los vientos del sudeste se ven detrás del eje de las olas. La cizalladura horizontal del viento también puede ocurrir a lo largo de los límites locales de la brisa terrestre y la brisa marina . [10]

Cerca de las costas

Cizalladura del viento a lo largo de la costa con nubes bajas moviéndose hacia el este y nubes altas moviéndose hacia el suroeste

La magnitud de los vientos en alta mar es casi el doble de la velocidad del viento que se observa en tierra. Esto se atribuye a las diferencias de fricción entre las masas de tierra y las aguas de alta mar. A veces, incluso hay diferencias direccionales, en particular si las brisas marinas locales cambian el viento en la costa durante las horas del día. [11]

Componente vertical

Viento térmico

El viento térmico es un término meteorológico que no se refiere a un viento real , sino a una diferencia en el viento geostrófico entre dos niveles de presión p 1 y p 0 , con p 1 < p 0 ; en esencia, cizalladura del viento. Solo está presente en una atmósfera con cambios horizontales de temperatura (o en un océano con gradientes horizontales de densidad ), es decir, baroclinicidad . En una atmósfera barotrópica , donde la temperatura es uniforme, el viento geostrófico es independiente de la altura. El nombre proviene del hecho de que este viento fluye alrededor de áreas de baja (y alta) temperatura de la misma manera que el viento geostrófico fluye alrededor de áreas de baja (y alta ) presión . [12]

La ecuación del viento térmico es

F en yo = a × ∇ ( φ 1 − φ 0 ) , {\displaystyle f\mathbf {v} _{T}=\mathbf {k} \times \nabla \left({\boldsymbol {\varphi }}_{1}-{\boldsymbol {\varphi }}_{0 }\bien)\,,}

donde φ son campos de altura geopotencial con φ 1 > φ 0 , f es el parámetro de Coriolis y k es el vector unitario que apunta hacia arriba en la dirección vertical . La ecuación del viento térmico no determina el viento en los trópicos . Dado que f es pequeño o cero, como cerca del ecuador, la ecuación se reduce a afirmar que ∇( φ 1 − φ 0 ) es pequeño. [12]

Esta ecuación describe básicamente la existencia de la corriente en chorro, una corriente de aire del oeste con velocidades máximas de viento cercanas a la tropopausa que es (aunque otros factores también son importantes) el resultado del contraste de temperatura entre el ecuador y el polo. [ cita requerida ]

Efectos sobre los ciclones tropicales

La fuerte cizalladura del viento en la alta troposfera forma la parte superior en forma de yunque de esta nube cumulonimbus madura , o tormenta eléctrica. [13]

Los ciclones tropicales son, en esencia, motores térmicos alimentados por el gradiente de temperatura entre la superficie cálida del océano tropical y la atmósfera superior más fría. El desarrollo de los ciclones tropicales requiere valores relativamente bajos de cizalladura vertical del viento para que su núcleo cálido pueda permanecer por encima de su centro de circulación superficial, promoviendo así la intensificación. Los ciclones tropicales fuertemente cizallados se debilitan a medida que la circulación superior se aleja del centro de niveles bajos. [ cita requerida ]

Efectos sobre tormentas eléctricas y condiciones meteorológicas adversas

Las tormentas eléctricas severas, que pueden generar tornados y granizadas, requieren de la cizalladura del viento para organizar la tormenta de tal manera que se mantenga durante un período más largo. Esto ocurre cuando el flujo entrante de la tormenta se separa del flujo saliente enfriado por la lluvia. Un chorro de bajo nivel nocturno en aumento puede aumentar el potencial de clima severo al aumentar la cizalladura vertical del viento a través de la troposfera. Las tormentas eléctricas en una atmósfera prácticamente sin cizalladura vertical del viento se debilitan tan pronto como envían un límite de flujo saliente en todas las direcciones, que luego corta rápidamente su entrada de aire relativamente cálido y húmedo y hace que la tormenta eléctrica se disipe. [14]

Capa límite planetaria

Representación de dónde se encuentra la capa límite planetaria en un día soleado

El efecto atmosférico de la fricción de la superficie con los vientos en altura obliga a los vientos de la superficie a disminuir y retroceder en sentido antihorario cerca de la superficie de la Tierra, soplando hacia adentro a través de isobaras (líneas de igual presión) en comparación con los vientos en flujo sin fricción muy por encima de la superficie de la Tierra. [15] [ verificación fallida ] Esta capa donde la fricción disminuye y cambia el viento se conoce como la capa límite planetaria , a veces la capa de Ekman , y es más gruesa durante el día y más delgada por la noche. El calentamiento diurno engrosa la capa límite a medida que los vientos en la superficie se mezclan cada vez más con los vientos en altura debido a la insolación o calentamiento solar. El enfriamiento radiativo durante la noche mejora aún más el desacoplamiento del viento entre los vientos en la superficie y los vientos por encima de la capa límite al calmar el viento de la superficie, lo que aumenta la cizalladura del viento. Estos cambios del viento fuerzan la cizalladura del viento entre la capa límite y el viento en altura y se enfatizan más por la noche. [ cita requerida ]

Efectos en el vuelo

Vuelo sin motor
El despegue del planeador en tierra se vio afectado por la cizalladura del viento

En el vuelo sin motor, los gradientes de viento justo por encima de la superficie afectan las fases de despegue y aterrizaje del vuelo de un planeador . El gradiente de viento puede tener un efecto notable en los despegues desde tierra , también conocidos como despegues con cabrestante o despegues con cable. Si el gradiente de viento es significativo o repentino, o ambos, y el piloto mantiene la misma actitud de cabeceo, la velocidad aerodinámica indicada aumentará, posiblemente superando la velocidad máxima de remolque del despegue desde tierra. El piloto debe ajustar la velocidad aerodinámica para lidiar con el efecto del gradiente. [16]

Al aterrizar, la cizalladura del viento también es un peligro, especialmente cuando los vientos son fuertes. A medida que el planeador desciende a través del gradiente de viento en la aproximación final para el aterrizaje, la velocidad aerodinámica disminuye mientras que la tasa de caída aumenta y no hay tiempo suficiente para acelerar antes del contacto con el suelo. El piloto debe anticipar el gradiente de viento y utilizar una velocidad de aproximación más alta para compensarlo. [17]

La cizalladura del viento también es un peligro para las aeronaves que realizan virajes pronunciados cerca del suelo. Es un problema particular para los planeadores que tienen una envergadura relativamente larga , lo que los expone a una mayor diferencia de velocidad del viento para un ángulo de inclinación determinado . La diferente velocidad aerodinámica experimentada por cada punta de ala puede provocar una pérdida aerodinámica en una de las alas, lo que causa un accidente por pérdida de control. [17] [18]

Paracaidismo

La cizalladura del viento o los gradientes de viento son una amenaza para los paracaidistas, en particular para los que practican salto BASE y vuelo con traje de alas . Los paracaidistas se han visto desviados de su curso por cambios repentinos en la dirección y velocidad del viento, y han chocado con puentes, acantilados, árboles, otros paracaidistas, el suelo y otros obstáculos. [ cita requerida ] Los paracaidistas realizan ajustes rutinarios en la posición de sus paracaídas abiertos para compensar los cambios de dirección mientras realizan aterrizajes para evitar accidentes como colisiones de paracaídas e inversión de paracaídas. [ cita requerida ]

Altísimo

El vuelo a vela relacionado con la cizalladura del viento, también llamado vuelo a vela dinámico , es una técnica utilizada por aves planeadoras como los albatros , que pueden mantener el vuelo sin aletear. Si la cizalladura del viento es de magnitud suficiente, un ave puede ascender en el gradiente del viento, intercambiando velocidad terrestre por altura, mientras mantiene la velocidad aerodinámica. [19] Al girar a favor del viento y sumergirse a través del gradiente del viento, también pueden ganar energía. [20] También lo han utilizado los pilotos de planeadores en raras ocasiones.

La cizalladura del viento también puede producir olas . Esto ocurre cuando una inversión atmosférica separa dos capas con una marcada diferencia en la dirección del viento. Si el viento encuentra distorsiones en la capa de inversión causadas por corrientes térmicas que suben desde abajo, producirá ondas de cizalladura significativas que pueden usarse para planear. [21]

Impacto en los aviones de pasajeros
Efecto de la cizalladura del viento en la trayectoria de la aeronave. Observe cómo la simple corrección del frente de ráfaga inicial puede tener consecuencias nefastas.
Restos de la sección de cola del vuelo 191 de Delta Air Lines después de que una microexplosión estrellara el avión contra el suelo. Se puede ver otro avión volando al fondo, más allá del lugar del accidente.

La cizalladura del viento puede ser extremadamente peligrosa para las aeronaves, especialmente durante el despegue y el aterrizaje. Los cambios repentinos en la velocidad del viento pueden causar disminuciones rápidas en la velocidad aerodinámica , lo que hace que la aeronave no pueda mantener la altitud. La cizalladura del viento ha sido responsable de varios accidentes mortales, incluidos el vuelo 66 de Eastern Air Lines , el vuelo 759 de Pan Am , el vuelo 191 de Delta Air Lines y el vuelo 1016 de USAir . [ cita requerida ]

La cizalladura del viento se puede detectar utilizando un radar Doppler . [22] [23] Los aeropuertos pueden estar equipados con sistemas de alerta de cizalladura del viento de bajo nivel o un radar meteorológico Doppler terminal , y las aeronaves pueden estar equipadas con sistemas de detección y alerta de cizalladura del viento aerotransportados . Después del accidente de 1985 del vuelo 191 de Delta Air Lines, en 1988 la Administración Federal de Aviación de los EE. UU . ordenó que todas las aeronaves comerciales tuvieran sistemas de detección y alerta de cizalladura del viento aerotransportados para 1993. La instalación de estaciones de radar meteorológico Doppler terminal de alta resolución en muchos aeropuertos de EE. UU. que se ven comúnmente afectados por la cizalladura del viento ha ayudado aún más a la capacidad de los pilotos y controladores de tierra para evitar las condiciones de cizalladura del viento. [24]

Navegación

La cizalladura del viento afecta a los veleros en movimiento al presentar una velocidad y dirección del viento diferentes a diferentes alturas a lo largo del mástil . El efecto de la cizalladura del viento de bajo nivel se puede tener en cuenta en la selección de la torsión de la vela en el diseño de la misma, pero esto puede ser difícil de predecir ya que la cizalladura del viento puede variar ampliamente en diferentes condiciones climáticas. Los navegantes también pueden ajustar el ajuste de la vela para tener en cuenta la cizalladura del viento de bajo nivel, por ejemplo, utilizando un contrafuerte de botavara . [25]

Propagación del sonido

La cizalladura del viento puede tener un efecto pronunciado sobre la propagación del sonido en la atmósfera inferior, donde las ondas pueden ser "dobladas" por el fenómeno de refracción . La audibilidad de los sonidos de fuentes distantes, como truenos o disparos , depende en gran medida de la cantidad de cizalladura. El resultado de estos diferentes niveles de sonido es clave en las consideraciones de contaminación acústica , por ejemplo, del ruido de la carretera y del ruido de los aviones , y debe tenerse en cuenta en el diseño de barreras acústicas . [26] Este fenómeno se aplicó por primera vez al campo del estudio de la contaminación acústica en la década de 1960, contribuyendo al diseño de carreteras urbanas, así como de barreras acústicas . [27]

Gráfico hodógrafico de los vectores del viento a distintas alturas en la troposfera. Los meteorólogos pueden utilizar este gráfico para evaluar la cizalladura vertical del viento en el pronóstico del tiempo. (Fuente: NOAA )

La velocidad del sonido varía con la temperatura. Dado que la temperatura y la velocidad del sonido normalmente disminuyen con el aumento de la altitud, el sonido se refracta hacia arriba, lejos de los oyentes en el suelo, lo que produce una sombra acústica a cierta distancia de la fuente. [28] En 1862, durante la Batalla de Iuka de la Guerra Civil Estadounidense , una sombra acústica, que se cree que fue intensificada por un viento del noreste, mantuvo a dos divisiones de soldados de la Unión fuera de la batalla, [29] porque no podían escuchar los sonidos de la batalla a solo seis millas a favor del viento. [30]

Efectos sobre la arquitectura

La ingeniería eólica es un campo de la ingeniería dedicado al análisis de los efectos del viento en el entorno natural y construido . Incluye vientos fuertes que pueden causar molestias, así como vientos extremos como tornados , huracanes y tormentas que pueden causar una destrucción generalizada. La ingeniería eólica se basa en la meteorología , la aerodinámica y varias disciplinas de ingeniería especializadas. Las herramientas utilizadas incluyen modelos climáticos, túneles de viento de capa límite atmosférica y modelos numéricos. Implica, entre otros temas, cómo se debe tener en cuenta en la ingeniería el impacto del viento en los edificios. [31]

Las turbinas eólicas se ven afectadas por la cizalladura del viento. Los perfiles verticales de velocidad del viento dan como resultado velocidades del viento diferentes en las palas más cercanas al nivel del suelo en comparación con las que se encuentran en la parte superior del recorrido de las palas, y esto, a su vez, afecta el funcionamiento de la turbina. [32] Esta cizalladura del viento de bajo nivel puede causar un gran momento de flexión en el eje de una turbina de dos palas cuando las palas están en posición vertical. [33] La cizalladura del viento reducida sobre el agua significa que se pueden utilizar torres de turbinas eólicas más cortas y menos costosas en mares poco profundos. [34]

Véase también

Referencias

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  • Biblioteca Digital Nacional de Ciencias – Cizalladura del viento
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