La cizalladura del viento (o cizalladura del viento ), 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 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 de altitud. La cizalladura horizontal del viento es un cambio en la velocidad del viento con un cambio en la posición lateral para una altitud determinada. [1]
La cizalladura del viento es un fenómeno meteorológico a microescala que se produce en una distancia muy pequeña, pero puede asociarse con características meteorológicas de mesoescala o escala sinóptica, como líneas de turbonada y frentes fríos. Se observa comúnmente cerca de microrráfagas y ráfagas causadas por tormentas eléctricas , frentes, áreas de vientos localmente más altos en niveles bajos conocidos como chorros de niveles bajos, 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 de las causas de muchos accidentes aéreos.
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 provocar 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 las tormentas individuales en ciclos de vida más largos que luego pueden producir condiciones climáticas 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]
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 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. [3] Los cambios de velocidad vertical superiores a 4,9 nudos (2,5 m/s) también se consideran cizalladura del viento significativa para los aviones. La cizalladura del viento en niveles bajos puede afectar la velocidad del avión durante el despegue y el aterrizaje de manera desastrosa, y los pilotos de aviones están entrenados para evitar todas las microrráfagas de cizalladura del viento (pérdida de viento en contra de más de 30 nudos [15 m/s]). [4] El fundamento de esta precaución adicional incluye: [ cita necesaria ]
La cizalladura del viento también es un factor clave en la formación de tormentas severas. El peligro adicional de las turbulencias suele estar asociado a la cizalladura del viento. [ cita necesaria ]
Las situaciones climáticas donde se observa cizalladura incluyen:
Los frentes climáticos 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 del clima significativo. En los análisis meteorológicos de superficie, se representan mediante varias líneas y símbolos 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 definidos 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 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 del Pacífico oriental . La cizalladura direccional y de velocidad puede ocurrir a través del eje de ondas tropicales más fuertes, ya que los vientos del norte preceden al eje de la onda y los vientos del sureste se observan detrás del eje de la onda. La cizalladura horizontal del viento también puede ocurrir a lo largo de los límites locales de brisa terrestre y marina . [10]
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 de fricción entre las masas terrestres y las aguas costeras. A veces, incluso hay diferencias de dirección, especialmente si la brisa marina local cambia el viento en la costa durante las horas del día. [11]
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. Sólo 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
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 pequeña o cero, como cerca del ecuador, la ecuación se reduce a afirmar que ∇( φ 1 − φ 0 ) es pequeña. [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 también son importantes otros factores) el resultado del contraste de temperaturas entre el ecuador y el polo. [ cita necesaria ]
Los ciclones tropicales son, en esencia, motores térmicos alimentados por el gradiente de temperatura entre la cálida superficie 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 en la superficie, 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 necesaria ]
Las tormentas 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 largo. Esto ocurre cuando el flujo entrante de la tormenta se separa del flujo saliente enfriado por la lluvia. Un creciente chorro nocturno, o nocturno, de bajo nivel puede aumentar el potencial de clima severo al aumentar la cizalladura vertical del viento a través de la troposfera. Las tormentas en una atmósfera prácticamente sin cizalladura vertical del viento se debilitan tan pronto como envían un límite de salida en todas direcciones, que rápidamente corta la entrada de aire relativamente cálido y húmedo y hace que la tormenta se disipe. [14]
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 el sentido contrario a las agujas del reloj cerca de la superficie de la Tierra , soplando hacia adentro a través de isobaras (líneas de igual presión) en comparación con los vientos que fluyen 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 capa límite planetaria , a veces capa de Ekman , y es más gruesa durante el día y más delgada durante la noche. El calentamiento diurno espesa 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 por encima de la capa límite al calmar el viento en la superficie, lo que aumenta la cizalladura del viento. Estos cambios de viento fuerzan una cizalladura del viento entre la capa límite y el viento en altura y se acentúan más durante la noche. [ cita necesaria ]
En el vuelo sin motor, los gradientes de viento justo encima de la superficie afectan las fases de despegue y aterrizaje del vuelo de un planeador . La gradiente 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 ambas cosas, y el piloto mantiene la misma actitud de cabeceo, la velocidad indicada aumentará, posiblemente excediendo la velocidad máxima de remolque del lanzamiento desde tierra. El piloto debe ajustar la velocidad del aire para hacer frente al efecto de la pendiente. [dieciséis]
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 al aterrizaje, la velocidad del aire 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. [17]
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 , lo que los expone a una mayor diferencia de velocidad del viento para un ángulo de alabeo determinado . La diferente velocidad experimentada por cada punta de ala puede provocar una pérdida aerodinámica en un ala, provocando un accidente por pérdida de control. [17] [18]
La cizalladura del viento o los gradientes del viento son una amenaza para los paracaidistas, particularmente para el salto BASE y el vuelo con traje aéreo . Los paracaidistas se han desviado de su trayectoria debido a cambios repentinos en la dirección y velocidad del viento, y han chocado con puentes, acantilados, árboles, otros paracaidistas, el suelo y otros obstáculos. [ cita necesaria ] Los paracaidistas rutinariamente hacen ajustes en la posición de sus cúpulas abiertas para compensar los cambios de dirección mientras realizan aterrizajes para evitar accidentes como colisiones e inversiones de la cúpula. [ cita necesaria ]
El vuelo 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 magnitud suficiente, un pájaro puede ascender hacia el gradiente del viento, intercambiando velocidad sobre el terreno por altura, mientras mantiene la velocidad del aire. [19] Al girar luego a favor del viento y sumergirse a través del gradiente del viento, también pueden ganar energía. [20] 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 corrientes térmicas que suben desde abajo, producirá importantes ondas de corte que pueden utilizarse para elevarse. [21]
La cizalladura del viento puede ser extremadamente peligrosa para los aviones, especialmente durante el despegue y el aterrizaje. Los cambios repentinos en la velocidad del viento pueden provocar rápidas disminuciones 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 . [ cita necesaria ]
La cizalladura del viento se puede detectar mediante el radar Doppler . [22] [23] [24] Los aeropuertos pueden equiparse con sistemas de alerta de cizalladura del viento de bajo nivel o radar meteorológico Doppler terminal , y las aeronaves pueden equiparse con sistemas de alerta y detección de cizalladura del viento en el aire . Tras el accidente del vuelo 191 de Delta Air Lines en 1985, en 1988 la Administración Federal de Aviación de EE. UU. ordenó que todos los aviones 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. que comúnmente afectados por la cizalladura del viento ha contribuido aún más a la capacidad de los pilotos y controladores de tierra para evitar condiciones de cizalladura del viento. [25]
La cizalladura del viento afecta a los veleros en movimiento al presentar una velocidad y dirección del viento diferente a diferentes alturas a lo largo del mástil . El efecto de la cizalladura del viento en niveles bajos se puede tener en cuenta a la hora de seleccionar 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 en niveles bajos, por ejemplo utilizando una contra de botavara . [26]
La cizalladura del viento puede tener un efecto pronunciado sobre la propagación del sonido en la atmósfera inferior, donde las ondas pueden "doblarse" por el fenómeno de refracción . La audibilidad de los sonidos procedentes de fuentes distantes, como truenos o disparos , depende en gran medida de la cantidad de cizallamiento. El resultado de estos diferentes niveles de sonido es clave en las consideraciones de contaminación acústica , por ejemplo, del ruido de las carreteras y del ruido de los aviones , y debe tenerse en cuenta en el diseño de barreras acústicas . [27] 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 de barreras acústicas . [28]
La velocidad del sonido varía con la temperatura. Dado que la temperatura y la velocidad del sonido normalmente disminuyen al aumentar la altitud, el sonido se refracta hacia arriba, lejos de los oyentes en el suelo, produciendo una sombra acústica a cierta distancia de la fuente. [29] En 1862, durante la Batalla de Iuka de la Guerra Civil Estadounidense , una sombra acústica, que se cree que fue realzada por un viento del noreste, mantuvo a dos divisiones de soldados de la Unión fuera de la batalla, [30] porque no podían escuchar los sonidos. de batalla sólo seis millas a favor del viento. [31]
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 malestar, 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. Se trata, entre otros temas, de cómo se debe tener en cuenta en ingeniería el impacto del viento en los edificios. [32]
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 aquellas en la parte superior del recorrido de las palas, y esto, a su vez, afecta el funcionamiento de la turbina. [33] Esta cizalladura del viento en niveles bajos puede causar un gran momento de flexión en el eje de una turbina de dos palas cuando las palas están verticales. [34] La reducción de la cizalladura del viento sobre el agua significa que se pueden utilizar torres de turbinas eólicas más cortas y menos costosas en mares poco profundos. [35]
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