En meteorología , los ciclos de reemplazo de la pared del ojo , también llamados ciclos concéntricos de la pared del ojo , ocurren naturalmente en ciclones tropicales intensos , generalmente con vientos superiores a 185 km/h (115 mph), o huracanes importantes ( categoría 3 o superior). Cuando los ciclones tropicales alcanzan esta intensidad y la pared del ojo se contrae o ya es pequeña, algunas de las bandas de lluvia externas pueden fortalecerse y organizarse en un anillo de tormentas (una nueva pared externa del ojo ) que se mueve lentamente hacia adentro y despoja a la pared interna original del ojo. Necesita humedad y momento angular . Dado que los vientos más fuertes se encuentran en la pared del ojo de un ciclón tropical , la tormenta generalmente se debilita durante esta fase, ya que la pared interior queda "ahogada" por la pared exterior. Con el tiempo, la pared exterior del ojo reemplaza completamente a la interior y la tormenta puede volver a intensificarse. [1]
El descubrimiento de este proceso fue parcialmente responsable del fin del experimento de modificación de huracanes del gobierno de EE. UU., Proyecto Stormfury . Este proyecto se propuso sembrar nubes fuera de la pared del ojo, lo que aparentemente provocó la formación de una nueva pared del ojo y debilitó la tormenta. Cuando se descubrió que se trataba de un proceso natural debido a la dinámica de los huracanes , el proyecto fue rápidamente abandonado. [2]
Casi todos los huracanes intensos sufren al menos uno de estos ciclos durante su existencia. Estudios recientes han demostrado que casi la mitad de todos los ciclones tropicales, y casi todos los ciclones con vientos sostenidos de más de 204 kilómetros por hora (127 mph; 110 nudos), experimentan ciclos de reemplazo de la pared del ojo. [3] El huracán Allen en 1980 pasó por repetidos ciclos de reemplazo de la pared del ojo, fluctuando varias veces entre la categoría 5 y la categoría 4 en la escala de huracanes Saffir-Simpson . El tifón de junio (1975) fue el primer caso informado de paredes oculares triples, [4] y los huracanes Juliette e Iris (2001) fueron casos documentados de este tipo. [5] [6]
El primer sistema tropical observado con paredes oculares concéntricas fue el tifón Sarah de Fortner en 1956, que describió como "un ojo dentro de un ojo". [7] Un avión de reconocimiento observó que la tormenta tenía una pared del ojo interior a 6 kilómetros (3,7 millas) y una pared del ojo exterior a 28 kilómetros (17 millas). Durante un vuelo posterior, 8 horas después, la pared interior del ojo había desaparecido, la pared exterior del ojo se había reducido a 16 kilómetros (9,9 millas) y los vientos máximos sostenidos y la intensidad del huracán habían disminuido. [7] El siguiente huracán que se observó que tenía paredes oculares concéntricas fue el huracán Donna en 1960. [8] El radar de un avión de reconocimiento mostró un ojo interno que variaba desde 10 millas (16 km) a baja altitud hasta 13 millas (21 km) cerca de la tropopausa. . Entre las dos paredes del ojo había un área de cielo despejado que se extendía verticalmente desde 3.000 pies (910 m) a 25.000 pies (7.600 m). Las nubes de bajo nivel a alrededor de 3000 pies (910 m) se describieron como estratocúmulos con rollos horizontales concéntricos. Se informó que la pared exterior del ojo alcanzaba alturas cercanas a los 45.000 pies (14.000 m), mientras que la pared interior del ojo solo se extendía hasta 30.000 pies (9.100 m). 12 horas después de identificar las paredes oculares concéntricas, la pared interna del ojo se había disipado. [8]
El huracán Beulah en 1967 fue el primer ciclón tropical en el que se observó su ciclo de reemplazo de la pared del ojo de principio a fin. [9] Las observaciones anteriores de paredes oculares concéntricas se realizaron desde plataformas basadas en aviones. Beulah fue observado desde el radar terrestre de Puerto Rico durante 34 horas, tiempo durante el cual se formó y se disipó una doble pared del ojo. Se observó que Beulah alcanzó la intensidad máxima inmediatamente antes de someterse al ciclo de reemplazo de la pared ocular y que fue "probablemente más que una coincidencia". [9] Se había observado que los ciclos anteriores de reemplazo de la pared del ojo disminuían la intensidad de la tormenta, [7] pero en este momento se desconocía la dinámica de por qué ocurrió. [ cita necesaria ]
Ya en 1946 se sabía que la introducción de hielo de dióxido de carbono o yoduro de plata en nubes que contenían agua sobreenfriada convertiría algunas de las gotas en hielo, seguido del proceso Bergeron-Findeisen de crecimiento de las partículas de hielo a expensas de las gotas. , cuyo agua terminaría en grandes partículas de hielo. El aumento de la tasa de precipitación daría como resultado la disipación de la tormenta. [10] A principios de 1960, la teoría de trabajo era que la pared del ojo de un huracán era inercialmente inestable y que las nubes tenían una gran cantidad de agua sobreenfriada. Por lo tanto, sembrar la tormenta fuera de la pared del ojo liberaría más calor latente y provocaría que la pared del ojo se expandiera. La expansión de la pared del ojo iría acompañada de una disminución de la velocidad máxima del viento mediante la conservación del momento angular . [10]
El Proyecto Stormfury fue un intento de debilitar los ciclones tropicales lanzando aviones hacia ellos y sembrándolos con yoduro de plata . El proyecto fue dirigido por el Gobierno de los Estados Unidos de 1962 a 1983. [11]
La hipótesis era que el yoduro de plata provocaría que el agua sobreenfriada de la tormenta se congelara, alterando la estructura interna del huracán. Esto provocó la aparición de varios huracanes en el Atlántico. Sin embargo, más tarde se demostró que esta hipótesis era incorrecta. [10] En realidad, se determinó, la mayoría de los huracanes no contienen suficiente agua sobreenfriada para que la siembra de nubes sea efectiva. Además, los investigadores descubrieron que los huracanes no sembrados a menudo experimentan los ciclos de reemplazo de la pared del ojo que se esperaban de los huracanes sembrados. Este hallazgo puso en duda los éxitos de Stormfury, ya que los cambios informados ahora tenían una explicación natural. [11]
El último vuelo experimental se realizó en 1971, debido a la falta de tormentas candidatas y un cambio en la flota de la NOAA . Más de una década después del último experimento de modificación, el Proyecto Stormfury fue oficialmente cancelado. Aunque fracasó en su objetivo de reducir la destructividad de los huracanes, el Proyecto Stormfury no careció de méritos. Los datos de observación y la investigación del ciclo de vida de las tormentas generados por Stormfury ayudaron a mejorar la capacidad de los meteorólogos para pronosticar el movimiento y la intensidad de futuros huracanes. [10]
Para un analista de huracanes es fácil identificar cualitativamente las paredes secundarias del ojo. Implica observar imágenes de satélite o radar y ver si hay dos anillos concéntricos de convección mejorada. La pared exterior del ojo es generalmente casi circular y concéntrica con la pared interior del ojo. El análisis cuantitativo es más difícil ya que no existe una definición objetiva de qué es una pared secundaria del ojo. Kossin et al. Se especificó que el anillo exterior debía estar visiblemente separado del ojo interior con al menos un 75% cerrado y una zona del foso libre de nubes. [12]
Si bien se han visto paredes secundarias del ojo cuando un ciclón tropical se acerca a la tierra, no se ha observado ninguna mientras el ojo no está sobre el océano. Los cambios en la intensidad de huracanes fuertes como Katrina, Ofelia y Rita ocurrieron simultáneamente con los ciclos de reemplazo de la pared del ojo y comprendieron interacciones entre las paredes del ojo, las bandas de lluvia y los ambientes exteriores. [12] [13] Los ciclos de reemplazo de la pared del ojo, como los que ocurrió en Rita cuando se acercaba a la costa del Golfo de los Estados Unidos , pueden aumentar en gran medida el tamaño de los ciclones tropicales y al mismo tiempo disminuir su fuerza. [14]
Durante el período 1997-2006, se observaron 45 ciclos de reemplazo de la pared del ojo en el Océano Atlántico Norte tropical, 12 en el Pacífico Norte Oriental y 2 en el Pacífico Norte Occidental. El 12% de todas las tormentas del Atlántico y el 5% de las tormentas del Pacífico sufrieron reemplazo de la pared del ojo durante este período. En el Atlántico Norte, el 70% de los grandes huracanes tuvieron al menos un reemplazo de la pared del ojo, en comparación con el 33% de todas las tormentas. En el Pacífico, el 33% de los huracanes importantes y el 16% de todos los huracanes tuvieron un ciclo de reemplazo de la pared del ojo. Las tormentas más fuertes tienen una mayor probabilidad de formar una pared del ojo secundaria: el 60% de los huracanes de categoría 5 experimentan un ciclo de reemplazo de la pared del ojo en 12 horas. [12]
Durante los años 1969-1971, 93 tormentas alcanzaron fuerza de tormenta tropical o mayor en el Océano Pacífico. 8 de las 15 que alcanzaron fuerza de súper tifón (65 m/s), 11 de las 49 tormentas que alcanzaron fuerza de tifón (33 m/s) y ninguna de las 29 tormentas tropicales (<33 m/s) desarrollaron paredes oculares concéntricas. Los autores señalan que debido a que los aviones de reconocimiento no buscaban específicamente características de doble pared del ojo, es probable que estas cifras estén subestimadas. [3]
Durante los años 1949-1983, se observaron 1.268 tifones en el Pacífico occidental. 76 de ellos tenían paredes oculares concéntricas. De todos los tifones en los que se reemplazó la pared del ojo, alrededor del 60% lo hizo sólo una vez; El 40% tuvo más de un ciclo de reemplazo de la pared del ojo, y dos de los tifones experimentaron cada uno cinco reemplazos de la pared del ojo. El número de tormentas con ciclos de reemplazo de la pared del ojo estuvo fuertemente correlacionado con la fuerza de la tormenta. Era mucho más probable que los tifones más fuertes tuvieran paredes oculares concéntricas. No hubo casos de doble pared del ojo en los que el viento máximo sostenido fuera inferior a 45 m/s o la presión mínima fuera superior a 970 hPa. Más de las tres cuartas partes de los tifones que tuvieron presiones inferiores a 970 hPa desarrollaron la característica de doble pared del ojo. La mayoría de los tifones del Pacífico occidental y central que experimentan doble pared ocular lo hacen en las cercanías de Guam. [4]
La formación de más de una pared ocular secundaria al mismo tiempo es poco común; dos paredes del ojo secundarias y una pared del ojo primaria se denominan paredes del ojo triples . El tifón de junio (1975) fue el primer caso informado de paredes oculares triples, [4] y los huracanes Juliette e Iris (2001) fueron casos documentados de este tipo. [5] [15]
Las paredes secundarias del ojo alguna vez se consideraron un fenómeno raro. Desde la llegada de los aviones de reconocimiento y los datos de los satélites de microondas, se ha observado que más de la mitad de todos los ciclones tropicales importantes desarrollan al menos una pared secundaria del ojo. [3] [16] Ha habido muchas hipótesis que intentan explicar la formación de las paredes secundarias del ojo. No se comprende bien la razón por la que los huracanes desarrollan paredes del ojo secundarias. [17]
Desde que se descubrió que los ciclos de reemplazo de la pared ocular son naturales, ha habido un gran interés en tratar de identificar sus causas. Se han planteado muchas hipótesis que ahora se abandonan. En 1980, el huracán Allen cruzó la región montañosa de Haití y simultáneamente desarrolló una pared secundaria del ojo. Hawkins notó esto y planteó la hipótesis de que la pared secundaria del ojo puede haber sido causada por un forzamiento topográfico. [18] Willoughby sugirió que una resonancia entre el período de inercia y la fricción asimétrica puede ser la causa de las paredes secundarias del ojo. [19] Estudios de modelado y observaciones posteriores han demostrado que las paredes exteriores del ojo pueden desarrollarse en áreas no influenciadas por procesos terrestres.
Ha habido muchas hipótesis que sugieren un vínculo entre las características de la escala sinóptica y el reemplazo secundario de la pared del ojo. Se ha observado que perturbaciones en forma de ondas que viajan radialmente hacia el interior han precedido al rápido desarrollo de perturbaciones tropicales en ciclones tropicales. Se ha planteado la hipótesis de que este forzamiento interno a escala sinóptica podría conducir a una pared ocular secundaria. [20] Se ha observado en múltiples tormentas una rápida profundización de la baja tropical en conexión con el forzamiento a escala sinóptica, [21] pero se ha demostrado que no es una condición necesaria para la formación de una pared del ojo secundaria. [17] El intercambio de calor superficial inducido por el viento (WISHE) es un mecanismo de retroalimentación positiva entre el océano y la atmósfera en el que un flujo de calor más fuerte del océano a la atmósfera da como resultado una circulación atmosférica más fuerte, lo que resulta en un fuerte flujo de calor. [22] WISHE ha sido propuesto como un método para generar paredes oculares secundarias. [23] Trabajos posteriores han demostrado que si bien WISHE es una condición necesaria para amplificar las perturbaciones, no es necesario para generarlas. [17]
En la hipótesis de la onda de Rossby del vórtice, las ondas viajan radialmente hacia afuera desde el vórtice interior. Las ondas amplifican el momento angular en un radio que depende de que la velocidad radial coincida con la del flujo exterior. En este punto, los dos están bloqueados en fase y permiten que la coalescencia de las ondas forme una pared secundaria del ojo. [13] [24]
En un sistema fluido, β (beta) es el cambio espacial, generalmente horizontal, en la vorticidad vertical ambiental. β se maximiza en la pared del ojo de un ciclón tropical. La aximetrización de falda β (BSA) supone que un ciclón tropical a punto de desarrollar un ojo secundario tendrá una β decreciente, pero no negativa, que se extenderá desde la pared del ojo hasta aproximadamente 50 kilómetros (30 millas) a 100 kilómetros (60 millas) de la pared del ojo. En esta región hay un pequeño pero importante β. Esta área se llama falda β. Hacia fuera del faldón, β es efectivamente cero. [17]
La energía potencial convectiva disponible (CAPE) es la cantidad de energía que tendría una porción de aire si se elevara una cierta distancia verticalmente a través de la atmósfera. Cuanto mayor sea el CAPE, más probable será que haya convección. Si existen áreas de CAPE alto en la falda β, la convección profunda que se forma actuaría como una fuente de energía cinética de vorticidad y turbulencia . Esta energía a pequeña escala se convertirá en un chorro alrededor de la tormenta. El chorro de bajo nivel enfoca la energía estocástica en un anillo casi simétrico alrededor del ojo. Una vez que se forma este chorro de bajo nivel, un ciclo de retroalimentación positiva como WISHE puede amplificar las perturbaciones iniciales en una pared del ojo secundaria. [17] [25]
Una vez que la pared secundaria del ojo rodea totalmente la pared interna del ojo, comienza a afectar la dinámica del ciclón tropical. Los huracanes son impulsados por la alta temperatura del océano. Las temperaturas de la superficie del mar inmediatamente debajo de un ciclón tropical pueden ser varios grados más frías que las de la periferia de una tormenta y, por lo tanto, los ciclones dependen de recibir la energía del océano a partir de los vientos en espiral hacia adentro. Cuando se forma una pared exterior del ojo, la humedad y el momento angular necesarios para el mantenimiento de la pared interior del ojo se utilizan ahora para sostener la pared exterior del ojo, lo que hace que el ojo interior se debilite y se disipe, dejando al ciclón tropical con un ojo que es más grande en diámetro que el ojo anterior.
En la región del foso entre la pared interior y exterior del ojo, las observaciones realizadas con sondas de caída han mostrado altas temperaturas y depresiones del punto de rocío. La pared del ojo se contrae debido a la inestabilidad inercial. [26] La contracción de la pared del ojo ocurre si el área de convección ocurre fuera del radio de vientos máximos. Después de que se forma la pared exterior del ojo, el hundimiento aumenta rápidamente en la región del foso. [27]
Una vez que la pared interna del ojo se disipa, la tormenta se debilita; la presión central aumenta y la velocidad máxima sostenida del viento disminuye. Los cambios rápidos en la intensidad de los ciclones tropicales son una característica típica de los ciclos de reemplazo de la pared del ojo. [27] En comparación con los procesos involucrados en la formación de la pared secundaria del ojo, la muerte de la pared interna del ojo se comprende bastante bien.
Algunos ciclones tropicales con paredes exteriores del ojo extremadamente grandes no experimentan la contracción del ojo exterior y la posterior disipación del ojo interior. El tifón Winnie (1997) desarrolló una pared exterior del ojo con un diámetro de 200 millas náuticas (370 km) que no se disipó hasta llegar a la costa. [28] El tiempo necesario para que la pared del ojo colapse está inversamente relacionado con el diámetro de la pared del ojo, lo que se debe principalmente a que el viento dirigido hacia adentro disminuye asintóticamente a cero con la distancia desde el radio de vientos máximos, pero también debido a la distancia requerida para colapsar la pared del ojo. pared del ojo. [26]
A lo largo de toda la capa vertical del foso hay aire seco descendente. La dinámica de la región del foso es similar a la del ojo, mientras que la pared exterior del ojo adquiere la dinámica de la pared primaria del ojo. La estructura vertical del ojo tiene dos capas. La capa más grande es la que va desde la parte superior de la tropopausa hasta una capa superior alrededor de 700 hPa, que se describe mediante el descenso de aire caliente. Debajo de la capa de cobertura, el aire es húmedo y tiene convección con presencia de nubes estratocúmulos. El foso adquiere gradualmente las características del ojo, sobre las cuales la pared interior del ojo sólo puede disipar su fuerza ya que la mayor parte del flujo entrante ahora se utiliza para mantener la pared exterior del ojo. El ojo interior finalmente se evapora a medida que el aire seco circundante lo calienta en el foso y el ojo. Los modelos y observaciones muestran que una vez que la pared exterior del ojo rodea completamente el ojo interior, se necesitan menos de 12 horas para que la pared interior del ojo se disipe por completo. La pared interna del ojo se alimenta principalmente del aire húmedo en la parte inferior del ojo antes de evaporarse. [13]
Los huracanes anulares tienen una única pared del ojo que es más grande y circularmente simétrica. Las observaciones muestran que un ciclo de reemplazo de la pared del ojo puede conducir al desarrollo de un huracán anular. Si bien algunos huracanes se convierten en huracanes anulares sin un reemplazo de la pared del ojo, se ha planteado la hipótesis de que la dinámica que conduce a la formación de una pared del ojo secundaria puede ser similar a la necesaria para el desarrollo de un ojo anular. [12] El tifón Wutip (2019) y el tifón Winnie (1997) fueron ejemplos en los que una tormenta tuvo un ciclo de reemplazo de la pared del ojo y luego se convirtió en un ciclón tropical anular. [29] Se han simulado huracanes anulares que han pasado por el ciclo de vida de un reemplazo de la pared del ojo. Las simulaciones muestran que las principales bandas de lluvia crecerán de tal manera que los brazos se superpondrán y luego formarán una espiral sobre sí mismos para formar una pared del ojo concéntrica. La pared interna del ojo se disipa, dejando un huracán con un ojo grande y singular sin bandas de lluvia. [30]