Onda de sotavento

Oscilaciones estacionarias atmosféricas

El viento fluye hacia una montaña y produce una primera oscilación (A) seguida de más ondas. Las siguientes ondas tendrán una amplitud menor debido a la amortiguación natural. Las nubes lenticulares atrapadas en la parte superior de la corriente (A) y (B) parecerán inmóviles a pesar del fuerte viento.

Nubes lenticulares

En meteorología , las ondas de sotavento son ondas atmosféricas estacionarias. La forma más común son las ondas de montaña , que son ondas de gravedad interna atmosférica . Estas fueron descubiertas en 1933 por dos pilotos de planeadores alemanes , Hans Deutschmann y Wolf Hirth , sobre los Montes Gigantes . ^{[1] [2] [3]} Son cambios periódicos de presión atmosférica , temperatura y altura ortométrica en una corriente de aire causados ​​por desplazamiento vertical, por ejemplo sustentación orográfica cuando el viento sopla sobre una montaña o cordillera . También pueden ser causadas por el viento superficial que sopla sobre un escarpe o meseta , ^[4] o incluso por vientos superiores desviados sobre una corriente térmica ascendente o calle de nubes .

El movimiento vertical provoca cambios periódicos en la velocidad y dirección del aire dentro de esta corriente de aire. Siempre se producen en grupos en el lado de sotavento del terreno que los desencadena. A veces, las ondas de montaña pueden ayudar a aumentar las cantidades de precipitación a sotavento de las cadenas montañosas. ^[5] Por lo general, se genera un vórtice turbulento , con su eje de rotación paralelo a la cadena montañosa, alrededor del primer valle ; esto se llama rotor . Las ondas de sotavento más fuertes se producen cuando el gradiente térmico muestra una capa estable por encima de la obstrucción, con una capa inestable por encima y por debajo. ^[4]

Los vientos fuertes (con ráfagas de viento de más de 100 millas por hora (160 km/h)) pueden crearse en las estribaciones de grandes cadenas montañosas debido a las olas de montaña. ^{[6] [7] [8] [9]} Estos vientos fuertes pueden contribuir al crecimiento y propagación inesperados de incendios forestales (incluidos los incendios forestales de las Grandes Montañas Humeantes de 2016 , cuando las chispas de un incendio forestal en las Montañas Humeantes fueron arrastradas a las áreas de Gatlinburg y Pigeon Forge). ^[10]

Teoría básica

Un experimento de laboratorio de dinámica de fluidos ilustra el flujo que pasa por un obstáculo con forma de montaña. Las crestas de las olas que se encuentran aguas abajo irradian hacia arriba con su velocidad de grupo apuntando a unos 45° de la horizontal. Se puede ver un chorro descendente a sotavento de la montaña, un área de menor presión, mayor turbulencia y desplazamiento vertical periódico de las parcelas de fluido. Las líneas de colorante verticales indican que los efectos también se sienten aguas arriba de la montaña, un área de mayor presión.

Las ondas de sotavento son una forma de ondas de gravedad interna que se producen cuando un flujo estable y estratificado se ve obligado a pasar por encima de un obstáculo. Esta perturbación eleva las parcelas de aire por encima de su nivel de flotabilidad neutra . Por lo tanto, las fuerzas de restauración de la flotabilidad actúan para excitar una oscilación vertical de las parcelas de aire perturbadas en la frecuencia de Brunt-Väisäla , que para la atmósfera es:

${\displaystyle N={\sqrt {{g \over \theta _{0}}{d\theta _{0} \over dz}}}}$, donde es el perfil vertical de la temperatura potencial . ${\displaystyle \theta _{0}(z)}$

Las oscilaciones inclinadas respecto del eje vertical en un ángulo de se producirán a una frecuencia más baja de . Estas oscilaciones de las parcelas de aire se producen en concierto, en paralelo a los frentes de onda (líneas de fase constante ). Estos frentes de onda representan los extremos en el campo de presión perturbado (es decir, líneas de presión más baja y más alta), mientras que las áreas entre los frentes de onda representan los extremos en el campo de flotabilidad perturbado (es decir, áreas que ganan o pierden flotabilidad más rápidamente). ${\displaystyle \phi }$ ${\displaystyle N\cos {\phi }}$

La energía se transmite a lo largo de los frentes de onda (paralelamente a las oscilaciones de las parcelas de aire), que es la dirección de la velocidad del grupo de ondas . Por el contrario, la propagación de fase (o velocidad de fase ) de las ondas apunta perpendicularmente a la transmisión de energía (o velocidad del grupo ). ^{[11] [12]}

Nubes

Ventana de olas sobre el valle Bald Eagle en el centro de Pensilvania , vista desde un planeador mirando hacia el norte. El flujo de viento va de la parte superior izquierda a la parte inferior derecha. El frente Allegheny está debajo del borde izquierdo de la ventana, el aire ascendente está en el borde derecho y la distancia entre ellos es de 3 a 4 km.

Tanto las ondas de sotavento como las de rotor pueden indicarse mediante formaciones de nubes de ondas específicas si hay suficiente humedad en la atmósfera y suficiente desplazamiento vertical para enfriar el aire hasta el punto de rocío . Las ondas también pueden formarse en aire seco sin marcadores de nubes. ^[4] Las nubes de ondas no se mueven a favor del viento como lo hacen normalmente las nubes, sino que permanecen fijas en su posición en relación con la obstrucción que las forma.

• Alrededor de la cresta de la ola, el enfriamiento por expansión adiabática puede formar una nube con forma de lente ( lenticularis ). Se pueden apilar múltiples nubes lenticulares una sobre otra si hay capas alternas de aire relativamente seco y húmedo en la parte superior.
• El rotor puede generar cúmulos o cúmulos fractus en su parte ascendente, también conocidos como "nubes en rollo". La nube rotor parece una línea de cúmulos. Se forma en el lado de sotavento y en paralelo a la línea de la cresta. Su base está cerca de la altura del pico de la montaña, aunque la parte superior puede extenderse bastante por encima del pico y puede fusionarse con las nubes lenticulares que se encuentran por encima. Las nubes rotor tienen bordes irregulares a sotavento y son peligrosamente turbulentas. ^[4]
• Puede existir una pared de nubes foehn en el lado de sotavento de las montañas, sin embargo esto no es una indicación confiable de la presencia de ondas de sotavento.
• Una nube tipo pileus o capa, similar a una nube lenticular, puede formarse encima de la nube tipo montaña o cúmulo que genera la onda.
• El calentamiento por compresión adiabática en el valle de cada oscilación de onda también puede evaporar cúmulos o nubes estratos en la masa de aire , creando una "ventana de onda" o "brecha de Foehn".

Aviación

Las ondas de sotavento brindan a los planeadores la posibilidad de ganar altitud o volar largas distancias cuando planean . Se han logrado récords mundiales de vuelo en olas en cuanto a velocidad, distancia o altitud en las zonas de sotavento de las cordilleras de Sierra Nevada , los Alpes , los Andes patagónicos y los Alpes del sur . ^[13] El Proyecto Perlan está trabajando para demostrar la viabilidad de ascender por encima de la tropopausa en un planeador sin motor utilizando ondas de sotavento, haciendo la transición a ondas estacionarias estratosféricas . Lo hicieron por primera vez el 30 de agosto de 2006 en Argentina , ascendiendo a una altitud de 15.460 metros (50.720 pies). ^{[14] [15]} El Proyecto de Ondas de Montaña de la Organisation Scientifique et Technique du Vol à Voile se centra en el análisis y la clasificación de las ondas de sotavento y los rotores asociados. ^{[16] [17] [18]}

Las condiciones que favorecen fuertes olas de sotavento adecuadas para la navegación a vela son:

• Un aumento gradual de la velocidad del viento con la altitud.
• Dirección del viento dentro de los 30° de la perpendicular a la línea de cresta de la montaña
• Fuertes vientos de baja altitud en una atmósfera estable
• Vientos en las cimas de las crestas de al menos 20 nudos

La turbulencia del rotor puede ser perjudicial para otras aeronaves pequeñas , como globos , ala delta y parapentes . Incluso puede ser un peligro para aeronaves grandes; se cree que el fenómeno es responsable de muchos accidentes e incidentes de aviación , incluida la ruptura en vuelo del vuelo 911 de BOAC , un Boeing 707 , cerca del monte Fuji , Japón , en 1966, y la separación en vuelo de un motor en un avión de carga Boeing 747 de Evergreen International Airlines cerca de Anchorage, Alaska , en 1993. ^[19]

El aire ascendente de las olas, que permite a los planeadores ascender a grandes alturas, también puede provocar un desequilibrio en la altitud de los aviones a reacción que intentan mantener un vuelo de crucero nivelado en las olas de sotavento . El aire ascendente, descendente o turbulento, en las olas de sotavento o por encima de ellas, puede provocar exceso de velocidad , pérdida de sustentación o pérdida de control.

Otras variedades de ondas atmosféricas

Onda hidrostática (dibujo esquemático)

Hay una variedad de tipos distintivos de olas que se forman bajo diferentes condiciones atmosféricas.

• La cizalladura del viento también puede crear 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, creará ondas de cizalladura significativas a sotavento de las distorsiones que pueden usarse para planear. ^[20]

• Las ondas inducidas por salto hidráulico son un tipo de onda que se forma cuando existe una capa inferior de aire que es densa, pero delgada en relación con el tamaño de la montaña. Después de fluir sobre la montaña, se forma un tipo de onda de choque en el valle del flujo, y se forma una discontinuidad vertical aguda llamada salto hidráulico que puede ser varias veces más alta que la montaña. El salto hidráulico es similar a un rotor en el sentido de que es muy turbulento, pero no está tan localizado espacialmente como un rotor. El salto hidráulico en sí mismo actúa como una obstrucción para la capa estable de aire que se mueve sobre él, lo que desencadena la onda. Los saltos hidráulicos se pueden distinguir por sus imponentes nubes enrolladas, y se han observado en la cordillera de Sierra Nevada ^[21], así como en las cadenas montañosas del sur de California.
• Las ondas hidrostáticas son ondas que se propagan verticalmente y se forman sobre obstáculos de gran tamaño en el espacio. En el equilibrio hidrostático, la presión de un fluido puede depender únicamente de la altitud, no del desplazamiento horizontal. Las ondas hidrostáticas reciben su nombre del hecho de que obedecen aproximadamente a las leyes de la hidrostática, es decir, las amplitudes de presión varían principalmente en dirección vertical en lugar de en dirección horizontal. Mientras que las ondas convencionales, no hidrostáticas, se caracterizan por ondulaciones horizontales de elevación y descenso, en gran medida independientes de la altitud, las ondas hidrostáticas se caracterizan por ondulaciones de elevación y descenso a diferentes altitudes sobre la misma posición en el suelo.
• La inestabilidad de Kelvin-Helmholtz puede ocurrir cuando hay cizallamiento de velocidad dentro de un fluido continuo o cuando hay suficiente diferencia de velocidad en la interfaz entre dos fluidos.
• Las ondas de Rossby (u ondas planetarias) son movimientos a gran escala en la atmósfera cuya fuerza restauradora es la variación del efecto Coriolis con la latitud.

Véase también

• Onda de gravedad
• Arco del noroeste

Referencias

1. El 10 de marzo de 1933, el piloto de planeadores alemán Hans Deutschmann (1911-1942) estaba volando sobre los Montes de los Gigantes en Silesia cuando una corriente ascendente elevó su avión un kilómetro. El ingeniero y piloto de planeadores alemán Wolf Hirth (1900-1959) observó el suceso e interpretó correctamente el suceso, que escribió sobre él en: Wolf Hirth, Die hohe Schule des Segelfluges [La escuela superior de vuelo en planeador] (Berlín, Alemania: Klasing & Co., 1933). El fenómeno fue estudiado posteriormente por el piloto de planeadores y físico atmosférico alemán Joachim P. Küttner (1909-2011) en: Küttner, J. (1938) "Moazagotl und Föhnwelle" (Nubes lenticulares y ondas foehn), Beiträge zur Physik der Atmosphäre , 25 , 79-114, y Kuettner, J. (1959) "El flujo del rotor al abrigo de las montañas". GRD [Dirección de Investigación Geofísica] Notas de Investigación N.º 6, AFCRC [Centro de Investigación de la Fuerza Aérea de Cambridge]-TN-58-626, ASTIA [Agencia de Información Técnica de las Fuerzas Armadas] Documento N.º AD-208862.
2. Tokgozlu, A; Rasulov, M.; Aslan, Z. (enero de 2005). "Modelado y clasificación de ondas de montaña". Technical Soaring . Vol. 29, no. 1. p. 22. ISSN  0744-8996.
3. "Artículo sobre la elevación de las olas" . Consultado el 28 de septiembre de 2006 .
4. Pagen, Dennis (1992). Entendiendo el cielo . Ciudad: Sport Aviation Pubns. págs. 169-175. ISBN 978-0-936310-10-7Este es el caso ideal, ya que una capa inestable debajo y otra encima de la capa estable crean lo que puede describirse como un trampolín para que la capa estable rebote una vez que la montaña comienza la oscilación.
5. David M. Gaffin; Stephen S. Parker; Paul D. Kirkwood (2003). "Un evento de nevadas inesperadamente intenso y complejo en la región meridional de los Apalaches". Tiempo y pronóstico . 18 (2): 224–235. Bibcode :2003WtFor..18..224G. doi : 10.1175/1520-0434(2003)018<0224:AUHACS>2.0.CO;2 .
6. David M. Gaffin (2009). "Sobre los fuertes vientos y el calentamiento por Foehn asociados con los eventos de ondas de montaña en las estribaciones occidentales de los montes Apalaches del sur". Tiempo y pronóstico . 24 (1): 53–75. Bibcode :2009WtFor..24...53G. doi : 10.1175/2008WAF2007096.1 .
7. MN Raphael (2003). "Los vientos de Santa Ana de California". Earth Interactions . 7 (8): 1. Bibcode :2003EaInt...7h...1R. doi : 10.1175/1087-3562(2003)007<0001:TSAWOC>2.0.CO;2 .
8. Warren Blier (1998). "Los vientos del atardecer en Santa Bárbara, California". Tiempo y pronóstico . 13 (3): 702–716. Bibcode :1978JAtS...35...59L. doi : 10.1175/1520-0434(1998)013<0702:TSWOSB>2.0.CO;2 .
9. DK Lilly (1978). "Un evento severo de tormenta de viento descendente y turbulencia de aeronaves inducido por una onda de montaña". Revista de Ciencias Atmosféricas . 35 (1): 59–77. Bibcode :1978JAtS...35...59L. doi : 10.1175/1520-0469(1978)035<0059:ASDWAA>2.0.CO;2 .
10. Ryan Shadbolt; Joseph Charney; Hannah Fromm (2019). "Una simulación a mesoescala de un evento de viento de onda de montaña asociado con el incendio Chimney Tops 2 (2016)" (Simposio especial sobre extremos meteorológicos a mesoescala: comprensión, predicción y proyección). Sociedad Meteorológica Estadounidense: 5 págs. {{cite journal}}: Requiere citar revista |journal=( ayuda )
11. Gill, Adrian E. (1982). Dinámica atmósfera-océano (1.ª ed.). San Diego, CA: Academic Press. ISBN 9780122835223.
12. Durran, Dale R. (1 de enero de 1990). "Ondas de montaña y vientos descendentes". En Blumen, William (ed.). Procesos atmosféricos sobre terreno complejo . Monografías meteorológicas. Sociedad Meteorológica Estadounidense. págs. 59–81. doi :10.1007/978-1-935704-25-6_4. ISBN 9781935704256.
13. Récords de vuelo sin motor de la FAI Archivado el 5 de diciembre de 2006 en Wayback Machine.
14. "Archivo de registro de Fai". Archivado desde el original el 13 de abril de 2015. Consultado el 27 de enero de 2015 .
15. Proyecto Perlan
16. Proyecto OSTIV-Ondas de Montaña
17. [1] Archivado el 3 de marzo de 2016 en Wayback Machine – consultado el 3 de noviembre de 2009
18. Lindemann, C; Heise, R.; Herold, WD. (Julio 2008). "Ondas de sotavento en la región de los Andes, Proyecto Ondas de Montaña (MWP) de OSTIV". Technical Soaring . Vol. 32, no. 3. p. 93. ISSN  0744-8996.
19. Informe de accidente de la NTSB AAR-93-06
20. Eckey, Bernard (2007). "El vuelo avanzado es fácil" . Eqip Verbung & Verlag GmbH. ISBN 978-3-9808838-2-5.
21. Observaciones de rotores inducidos por montañas e hipótesis relacionadas: una revisión de Joachim Kuettner y Rolf F. Hertenstein

• Alexander, P.; Luna, D.; Llamedo, P.; de la Torre, A. (19 de febrero de 2010). "Estudio de ondas gravitacionales cerca de la cordillera de los Andes en la Patagonia y la Antártida con observaciones de radio ocultación por GPS". Annales Geophysicae . 28 (2): 587–595. Bibcode :2010AnGeo..28..587A. doi : 10.5194/angeo-28-587-2010 . hdl : 11336/61424 . ISSN  0992-7689.

Lectura adicional

• Grimshaw, R., (2002). Flujos estratificados ambientales . Boston: Kluwer Academic Publishers.
• Jacobson, M., (1999). Fundamentos del modelado atmosférico . Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press.
• Nappo, C., (2002). Introducción a las ondas de gravedad atmosféricas . Boston: Academic Press.
• Pielke, R., (2002). Modelado meteorológico de mesoescala . Boston: Academic Press.
• Turner, B., (1979). Efectos de flotabilidad en fluidos . Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press.
• Whiteman, C., (2000). Meteorología de montaña . Oxford, Reino Unido: Oxford University Press.

Enlaces externos

• Sitio web oficial del proyecto Mountain Wave
• Recopilación cronológica de datos meteorológicos, imágenes satelitales e imágenes de nubes de ondas montañosas en Bariloche, Argentina
• Sobre los fuertes vientos y el calentamiento por Foehn asociados con los eventos de olas de montaña en las estribaciones occidentales de los Montes Apalaches del Sur
• Un análisis de la extensión del área de los fuertes vientos debidos a las olas de montaña a lo largo de las estribaciones occidentales de los montes Apalaches del sur
• Campaña SOUTHTRAC (Transporte y Composición de la Tropósfera Superior y la Estratósfera Inferior del Hemisferio Sur) en el Sur de Argentina