Cizalladura del viento

Cirrus uncinus ciruelas de cristal de hielo que muestran lana de viento de alto nivel, con cambios en la velocidad del viento y la dirección

cizalladura del viento (o cizalladura del viento), a veces denominada gradiente del viento, es una diferencia en la velocidad y/o dirección del viento en una distancia relativamente corta en la atmósfera. La cizalladura del viento atmosférico normalmente se describe como cizalladura del viento vertical u horizontal. 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.

La cizalladura del viento es un fenómeno meteorológico a microescala que se produce en una distancia muy pequeña, pero que puede asociarse con características meteorológicas de escala sinóptica o de mesoescala, como líneas de turbonada y frentes fríos. Se observa comúnmente cerca de microrráfagas y descargas 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 aeronaves.

El movimiento del sonido a través de la atmósfera se ve afectado por la cizalladura del viento, que puede doblar el frente de onda y hacer que los sonidos se escuchen donde normalmente no se escucharían, o viceversa. 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 un clima severo. 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.

Abajo vientos con virga asociada permiten estas nubes en el cielo oriental en el crepúsculo civil a mimic aurora borealis 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 la cizalladura del viento significativa es un cambio horizontal en la velocidad del aire de 30 nudos (15 m/s) para aviones ligeros y cerca de 45 nudos (23 m/s) para aviones de pasajeros a altitud de vuelo. Los cambios de velocidad vertical superiores a 4,9 nudos (2,5 m/s) también se consideran cizalladura del viento importante para las aeronaves. La cizalladura del viento de bajo nivel puede afectar la velocidad aerodinámica de la aeronave durante el despegue y el aterrizaje de manera desastrosa, y los pilotos de aviones comerciales están capacitados para evitar todas las cizalladura del viento en microrráfagas (pérdida de viento de frente superior a 30 nudos [15 m/s]). La justificación de esta precaución adicional incluye:

• la intensidad del microbursto puede doblarse en un minuto o menos,
• los vientos pueden cambiar a los vientos excesivos,
• 40–50 nudos (21–26 m/s) es el umbral de supervivencia en algunas etapas de operaciones de baja altitud, y
• varios de los accidentes históricos de derrame de viento involucraron microburstos de 35–45 nudos (18–23 m/s).

La cizalladura del viento también es un factor clave en la formación de tormentas severas. El peligro adicional de la turbulencia a menudo se asocia con la cizalladura del viento.

Ocurrencia

Esquemático de microbursto de la NASA. La dirección del viaje es hacia abajo hasta que la corriente de aire golpea el nivel del suelo, en ese punto se extiende hacia fuera en todas las direcciones. El régimen del viento en un microbursto es completamente opuesto a un tornado.

Las situaciones meteorológicas en las que se observa cizallamiento incluyen:

• Los frentes meteorológicos. Se observa un corte significativo cuando la diferencia de temperatura en el 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, se puede observar en cualquier altitud entre la superficie y la tropopausa, por lo que se puede ver tanto horizontal como verticalmente. El viento vertical sobre frentes cálidos es más de una preocupación aérea que cerca y detrás de frentes fríos debido a su mayor duración.
• Flujos de chorro de alto nivel. Asociado con flujos de chorro de alto nivel es un fenómeno conocido como turbulencia de aire claro (CAT), causado por el revestimiento de viento vertical y horizontal conectado al gradiente del viento en el borde de los chorros. El CAT es más fuerte en el lado anticiclónico del chorro, generalmente al lado o justo debajo del eje del chorro.
• Flujos de chorro de bajo nivel. Cuando un jet nocturno de bajo nivel se forma durante la noche sobre la superficie de la Tierra por delante de un frente frío, significativa capa de viento vertical de bajo nivel puede desarrollarse cerca de la parte inferior del jet de bajo nivel. Esto también se conoce como el derrame de viento no conductor, ya que no se debe a tormentas cercanas.
• Montañas.
• Inversiones. Cuando en una noche clara y tranquila, se forma una inversión de radiación cerca del suelo, la fricción no afecta el viento por encima 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 un jet de bajo nivel nocturno (noche) a veces se puede observar. Tiende a ser más fuerte hacia el amanecer. Las diferencias de densidad causan problemas adicionales a la aviación.
• Desembolsos. Cuando se forma un límite de salida debido a una capa poco profunda de aire refrigerado por lluvia que se extiende cerca del nivel de tierra de la tormenta de los padres, tanto la velocidad como el derrame de viento direccional pueden resultar en el borde líder del límite tridimensional. Cuanto más fuerte sea el límite de salida, más fuerte será el recubrimiento de viento vertical resultante.

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 causa principal de un clima significativo. Dentro de los análisis meteorológicos de superficie, se representan utilizando varios símbolos y líneas de colores. Las masas de aire suelen diferir 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 turbonada y líneas secas. Los frentes fríos son límites de superficie más nítidos con una cizalladura horizontal del viento 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 corte, aunque la dirección del viento a lo largo 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 del Pacífico oriental. La cizalladura direccional y de velocidad puede ocurrir a lo largo del eje de las olas tropicales más fuertes, ya que los vientos del norte preceden al eje de la ola y los vientos del sureste se ven detrás del eje de la ola. La cizalladura horizontal del viento también puede ocurrir a lo largo de los límites locales de la brisa terrestre y la brisa marina.

Cerca de las costas

La magnitud de los vientos en alta mar es casi el doble de la velocidad del viento observada en tierra. Esto se atribuye a las diferencias en la fricción entre las masas de tierra y las aguas de alta mar. A veces, incluso hay diferencias direccionales, especialmente si la brisa marina local cambia el viento en la costa durante el día.

Componente vertical

Viento térmico

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 p₀, con <span class="texhtml" p₁ < p₀; 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.

La ecuación del viento térmico es

fvT=k× × Silencio Silencio ()φ φ 1− − φ φ 0),{displaystyle fmathbf} _{T}=mathbf {k} times nabla left({boldsymbol {varphi - Sí. }

donde φ son campos de altura geopotencial con φ₁ > φ₀, 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 ∇(φ₁ − φ₀) es pequeño.

Esta ecuación básicamente describe 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 también son importantes otros factores) el resultado del contraste de temperatura entre el ecuador y el polo.

Efectos sobre los ciclones tropicales

Un fuerte derrame de viento en la troposfera alta forma la parte superior en forma de avil de esta nube madura de cumulonimbus, o tormenta.

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 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. La cizalladura vertical del viento destroza la "maquinaria" del motor térmico provocando su avería. Los ciclones tropicales fuertemente cizallados se debilitan a medida que la circulación superior se aleja del centro de bajo nivel.

Efectos en tormentas eléctricas y clima severo

Las tormentas eléctricas severas, que pueden generar tornados y granizadas, requieren cizalladura del viento para organizar la tormenta de tal manera que se mantenga durante un período más prolongado. Esto ocurre cuando la entrada de la tormenta se separa de su salida enfriada por la lluvia. Un chorro de bajo nivel cada vez mayor durante la noche, o durante la noche, puede aumentar el potencial de tiempo 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 de salida en todas las direcciones, que luego corta rápidamente la entrada de aire relativamente cálido y húmedo y hace que la tormenta se disipe.

Capa límite planetaria

Depiction of where the planetary boundary layer lies on a sunny day

El efecto atmosférico de la fricción de la superficie con los vientos en altura obliga a los vientos de la superficie a disminuir la velocidad y retroceder en sentido contrario a las agujas del reloj cerca de la superficie de la Tierra, soplando hacia adentro a través de las isobaras (líneas de igual presión) en comparación con los vientos en un flujo sin fricción muy por encima de la Tierra. superficie. 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 durante 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 al calentamiento solar. El enfriamiento radiativo durante la noche mejora aún más el desacoplamiento del viento entre los vientos en la superficie y los vientos sobre la capa límite al calmar el viento en la superficie, lo que aumenta la cizalladura del viento. Estos cambios de viento fuerzan la cizalladura del viento entre la capa límite y el viento en altura y se acentúan más durante la noche.

Efectos en vuelo

Deslizar

Lanzamiento de tierra Glider afectado por el derrame de viento

En vuelo a vela, los gradientes de viento justo por encima de la superficie afectan las fases de despegue y aterrizaje del vuelo de un planeador. La pendiente del viento puede tener un efecto notable en los lanzamientos desde tierra, también conocidos como lanzamientos con cabrestante o lanzamientos con cable. Si el gradiente del viento es significativo o repentino, o ambos, y el piloto mantiene la misma actitud de cabeceo, la velocidad aerodinámica indicada aumentará, posiblemente excediendo la velocidad máxima de remolque de lanzamiento desde tierra. El piloto debe ajustar la velocidad aerodinámica para hacer frente al efecto de la pendiente.

Al aterrizar, la cizalladura del viento también es un peligro, especialmente cuando los vientos son fuertes. A medida que el planeador desciende a través de la pendiente del viento en la aproximación final al 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 la pendiente del viento y utilizar una mayor velocidad de aproximación para compensarla.

La cizalladura del viento también es un peligro para las aeronaves que realizan giros pronunciados cerca del suelo. Es un problema particular para los planeadores que tienen una envergadura relativamente larga, que los expone a una mayor diferencia de velocidad del viento para un ángulo de alabeo dado. La diferente velocidad aerodinámica experimentada por cada punta de ala puede provocar una pérdida aerodinámica en un ala, lo que provoca un accidente por pérdida de control.

Paracaidismo

La cizalladura del viento o los gradientes del viento son una amenaza para los paracaidistas, en particular para el salto BASE y el vuelo con traje de alas. Los paracaidistas se han desviado de su curso debido a cambios repentinos en la dirección y la velocidad del viento, y han chocado con puentes, acantilados, árboles, otros paracaidistas, el suelo y otros obstáculos. Los paracaidistas realizan ajustes de forma rutinaria en la posición de sus capotas abiertas para compensar los cambios de dirección mientras aterrizan para evitar accidentes como colisiones de capota e inversión de capota.

Altísimo

El vuelo elevado relacionado con la cizalladura del viento, también llamado vuelo dinámico, es una técnica utilizada por aves planeadoras como los albatros, que pueden mantener el vuelo sin batir las alas. Si la cizalladura del viento es de suficiente magnitud, un ave puede trepar hacia la pendiente del viento, cambiando la velocidad respecto al suelo por la altura, mientras mantiene la velocidad del aire. Al girar a favor del viento y sumergirse a través del gradiente del viento, también pueden ganar energía. También ha sido utilizado por 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 las térmicas que vienen desde abajo, producirá ondas de corte significativas que pueden usarse para volar.

Impacto en aviones de pasajeros

Efecto del derrame de viento en la trayectoria de los aviones. Observe cómo simplemente corregir el frente de la ráfaga inicial puede tener consecuencias terribles.

Wreckage of Delta Air Lines Flight 191 tail section after a microburst slammed the aircraft into the ground. Otro avión se puede ver volando en el fondo de la escena 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 del aire, lo que hace que la aeronave no pueda mantener la altitud. Windshear ha sido responsable de varios accidentes mortales, incluido 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.

La cizalladura del viento se puede detectar mediante el radar Doppler. Los aeropuertos pueden estar equipados con sistemas de alerta de cizalladura del viento de bajo nivel o radar meteorológico Doppler terminal, y las aeronaves pueden estar equipadas con sistemas de alerta y detección de cizalladura del viento en el aire. Después del accidente del vuelo 191 de Delta Air Lines en 1985, en 1988 la Administración Federal de Aviación de EE. UU. ordenó que todas las aeronaves comerciales tuvieran sistemas de alerta y detección de cizalladura del viento en el aire para 1993. La instalación de estaciones de radar meteorológico Doppler terminal de alta resolución en muchos aeropuertos de EE. UU. son 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.

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 en niveles bajos se puede tener en cuenta en la selección de la torsión de la vela en el diseño de la vela, pero esto puede ser difícil de predecir ya que la cizalladura del viento puede variar ampliamente en diferentes condiciones climáticas. Los marineros también pueden ajustar el asiento de la vela para tener en cuenta la cizalladura del viento a bajo nivel, por ejemplo, utilizando una botavara.

Propagación de sonido

La cizalladura del viento puede tener un efecto pronunciado sobre la propagación del sonido en la atmósfera inferior, donde las ondas pueden "doblarse" por fenómeno de refracción. La audibilidad de los sonidos de fuentes distantes, como truenos o disparos, depende mucho de la cantidad de cizalladura. El resultado de estos diferentes niveles de sonido es clave en las consideraciones de contaminación acústica, por ejemplo, el ruido de la carretera y el ruido de los aviones, y debe tenerse en cuenta en el diseño de barreras acústicas. 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 y barreras acústicas.

Hodograph plot of wind vectors at various heights in the troposphere. Los meteorólogos pueden utilizar esta trama para evaluar el derrame de viento vertical en 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, alejándose de los oyentes en el suelo, produciendo una sombra acústica a cierta distancia de la fuente. En 1862, durante la Batalla de Iuka de la Guerra Civil Estadounidense, una sombra acústica, que se cree que fue reforzada por un viento del noreste, mantuvo a dos divisiones de soldados de la Unión fuera de la batalla, porque no podían escuchar los sonidos de la batalla a solo seis millas a favor del viento..

Efectos en 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 incomodidad, así como vientos extremos como tornados, huracanes y tormentas que pueden causar 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 la capa límite atmosférica y modelos numéricos. Incluye, entre otros temas, cómo se debe tener en cuenta en la ingeniería el impacto del viento sobre los edificios.

Las turbinas eólicas se ven afectadas por la cizalladura del viento. Los perfiles verticales de velocidad del viento dan como resultado diferentes velocidades del viento 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. 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 verticales. La cizalladura del viento reducida sobre el agua significa que se pueden usar torres de turbinas eólicas más cortas y menos costosas en mares poco profundos.