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 mayores a 185 km/h (115 mph), o huracanes importantes ( categoría 3 o superior). Cuando los ciclones tropicales alcanzan esta intensidad, y las contracciones de la pared del ojo ya son pequeñas, algunas de las bandas de lluvia externas pueden fortalecerse y organizarse en un anillo de tormentas eléctricas (una nueva pared del ojo externa ) que se mueve lentamente hacia adentro y priva a la pared del ojo interna original de su humedad y momento angular necesarios . Dado que los vientos más fuertes se dan en la pared del ojo de un ciclón tropical , la tormenta generalmente se debilita durante esta fase, ya que la pared interna es "estrangulada" por la pared externa. Finalmente, la pared del ojo externa reemplaza a la interna por completo 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 los EE. UU., el Proyecto Stormfury . Este proyecto se propuso sembrar nubes fuera de la pared del ojo, aparentemente causando la formación de una nueva pared del ojo y debilitando la tormenta. Cuando se descubrió que se trataba de un proceso natural debido a la dinámica de los huracanes , el proyecto se abandonó rápidamente. [2]
Casi todos los huracanes intensos pasan por 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 kn), pasan por 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 entre la categoría 5 y la categoría 4 en la escala de huracanes Saffir-Simpson varias veces. El tifón June (1975) fue el primer caso reportado de triple pared del ojo, [4] y los huracanes Juliette e Iris (2001) fueron casos documentados de este tipo. [5] [6]
El primer sistema tropical que se observó con paredes oculares concéntricas fue el tifón Sarah , que Fortner describió en 1956 como "un ojo dentro de un ojo". [7] Un avión de reconocimiento observó que la tormenta tenía una pared ocular interna a 6 kilómetros (3,7 millas) y una pared ocular externa a 28 kilómetros (17 millas). Durante un vuelo posterior 8 horas después, la pared ocular interna había desaparecido, la pared ocular externa 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 observado con 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 una zona de cielo despejado que se extendía verticalmente desde los 910 m hasta los 7600 m. Las nubes bajas a unos 910 m se describieron como estratocúmulos con rollos horizontales concéntricos. Se informó que la pared exterior del ojo alcanzaba alturas cercanas a los 14 000 m, mientras que la pared interior solo se extendía hasta los 9100 m. Doce horas después de identificar las paredes concéntricas del ojo, la pared interior 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 del ojo concéntricas se realizaron desde plataformas aéreas. Beulah fue observado desde el radar terrestre de Puerto Rico durante 34 horas, durante las cuales se formó y disipó una doble pared del ojo. Se observó que Beulah alcanzó la intensidad máxima inmediatamente antes de experimentar el ciclo de reemplazo de la pared del ojo, y que "probablemente fue más que una coincidencia". [9] Se había observado que los ciclos anteriores de reemplazo de la pared del ojo reducían la intensidad de la tormenta, [7] pero en ese momento no se conocía la dinámica de por qué se produjo. [ cita requerida ]
Ya en 1946 se sabía que la introducción de dióxido de carbono helado o yoduro de plata en nubes que contenían agua superenfriada convertiría algunas de las gotitas en hielo, seguido por el proceso Bergeron-Findeisen de crecimiento de las partículas de hielo a expensas de las gotitas, cuyo agua terminaría en partículas de hielo grandes. El aumento de la tasa de precipitación daría lugar a 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 superenfriada. Por lo tanto, sembrar la tormenta fuera de la pared del ojo liberaría más calor latente y haría 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 a través de la conservación del momento angular . [10]
El Proyecto Stormfury fue un intento de debilitar los ciclones tropicales mediante el lanzamiento de aviones contra ellos y la siembra de yoduro de plata . El proyecto estuvo a cargo del gobierno de los Estados Unidos desde 1962 hasta 1983. [11]
La hipótesis era que el yoduro de plata haría que el agua superenfriada de la tormenta se congelara, alterando la estructura interna del huracán. Esto llevó a la siembra de varios huracanes en el Atlántico. Sin embargo, más tarde se demostró que esta hipótesis era incorrecta. [10] En realidad, se determinó que la mayoría de los huracanes no contienen suficiente agua superenfriada 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 a un cambio en la flota de la NOAA . Más de una década después del último experimento de modificación, el Proyecto Stormfury fue cancelado oficialmente. Aunque fracasó en su objetivo de reducir la destructividad de los huracanes, el Proyecto Stormfury no carecía de mérito. 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]
La identificación cualitativa de las paredes del ojo secundario es fácil para un analista de huracanes. Para ello, es necesario observar imágenes satelitales o de 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 lo que es una pared del ojo secundario. Kossin et al. especificaron que el anillo exterior tenía que estar visiblemente separado del ojo interior y estar cerrado al menos en un 75 % con una región de foso libre de nubes. [12]
Si bien se han observado paredes de ojo secundarias cuando un ciclón tropical se acerca a la tierra, no se ha observado ninguna mientras el ojo no esté sobre el océano. Los cambios en la intensidad de huracanes fuertes como Katrina, Ophelia y Rita ocurrieron simultáneamente con ciclos de reemplazo de la pared del ojo e incluyeron interacciones entre las paredes del ojo, las bandas de lluvia y los entornos externos. [12] [13] Los ciclos de reemplazo de la pared del ojo, como 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 de 1997 a 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 experimentaron un reemplazo de la pared del ojo durante este período de tiempo. En el Atlántico Norte, el 70% de los huracanes mayores 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 mayores 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, y el 60% de los huracanes de categoría 5 experimentan un ciclo de reemplazo de la pared del ojo en un plazo de 12 horas. [12]
Durante los años 1969-1971, 93 tormentas alcanzaron la fuerza de tormenta tropical o mayor en el Océano Pacífico. 8 de las 15 que alcanzaron la fuerza de supertifón (65 m/s), 11 de las 49 tormentas que alcanzaron la 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 ocular, es probable que estas cifras sean subestimadas. [3]
Durante los años 1949-1983, se observaron 1268 tifones en el Pacífico occidental. 76 de ellos tenían paredes oculares concéntricas. De todos los tifones que experimentaron reemplazo de la pared ocular, alrededor del 60% lo hizo solo una vez; el 40% tuvo más de un ciclo de reemplazo de la pared ocular, y dos de los tifones experimentaron cinco reemplazos de la pared ocular cada uno. El número de tormentas con ciclos de reemplazo de la pared ocular estuvo fuertemente correlacionado con la fuerza de la tormenta. Los tifones más fuertes tenían muchas más probabilidades de tener paredes oculares concéntricas. No hubo casos de paredes oculares dobles donde 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 ocular. La mayoría de los tifones del Pacífico occidental y central que experimentan paredes oculares dobles lo hacen en las proximidades de Guam. [4]
La formación de más de una pared ocular secundaria al mismo tiempo es un fenómeno poco frecuente; dos paredes oculares secundarias y una pared ocular primaria se denominan paredes oculares triples . El tifón June (1975) fue el primer caso notificado de paredes oculares triples, [4] y los huracanes Juliette e Iris (2001) fueron casos documentados de este tipo. [5] [15]
En el pasado, las paredes del ojo secundarias se consideraban un fenómeno poco frecuente. Desde la aparición de los aviones de reconocimiento y los datos satelitales de microondas, se ha observado que más de la mitad de los ciclones tropicales importantes desarrollan al menos una pared del ojo secundaria. [3] [16] Se han formulado muchas hipótesis que intentan explicar la formación de las paredes del ojo secundarias. No se entiende bien por qué los huracanes desarrollan paredes del ojo secundarias. [17]
Desde que se descubrió que los ciclos de reemplazo de la pared del ojo son naturales, ha habido un gran interés en tratar de identificar qué los causa. Se han propuesto muchas hipótesis que ahora se han abandonado. En 1980, el huracán Allen cruzó la región montañosa de Haití y simultáneamente desarrolló una pared del ojo secundaria. Hawkins notó esto y planteó la hipótesis de que la pared del ojo secundaria podría haber sido causada por la fuerza topográfica. [18] Willoughby sugirió que una resonancia entre el período de inercia y la fricción asimétrica puede ser la causa de las paredes del ojo secundarias. [19] Estudios de modelado y observaciones posteriores han demostrado que las paredes del ojo externas pueden desarrollarse en áreas no influenciadas por procesos terrestres.
Existen muchas hipótesis que sugieren un vínculo entre las características de escala sinóptica y el reemplazo de la pared del ojo secundario. Se ha observado que las perturbaciones en forma de onda que se desplazan radialmente hacia el interior han precedido al rápido desarrollo de perturbaciones tropicales a ciclones tropicales. Se ha planteado la hipótesis de que este forzamiento interno a escala sinóptica podría conducir a una pared del ojo secundario. [20] Se ha observado una rápida profundización de la baja tropical en relación con el forzamiento a escala sinóptica en múltiples tormentas, [21] pero se ha demostrado que no es una condición necesaria para la formación de una pared del ojo secundario. [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] Se ha propuesto el WISHE como un método para generar paredes del ojo secundarias. [23] Trabajos posteriores han demostrado que, si bien el WISHE es una condición necesaria para amplificar las perturbaciones, no es necesario para generarlas. [17]
En la hipótesis de las ondas de Rossby en forma de vórtice, las ondas viajan radialmente hacia afuera desde el vórtice interior. Las ondas amplifican el momento angular en un radio que depende de la velocidad radial que coincide con la del flujo exterior. En este punto, las dos están sincronizadas y permiten que la coalescencia de las ondas forme una pared ocular secundaria. [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 axisimetrización de la falda β (BSA) supone que un ciclón tropical a punto de desarrollar un ojo secundario tendrá una β decreciente, pero no negativa, que se extiende desde la pared del ojo hasta aproximadamente 50 kilómetros (30 mi) a 100 kilómetros (60 mi) desde la pared del ojo. En esta región, hay una β pequeña, pero importante. Esta área se llama la falda β. Fuera de la falda, β es efectivamente cero. [17]
La energía potencial convectiva disponible (CAPE) es la cantidad de energía que tendría una parcela de aire si se elevara una cierta distancia verticalmente a través de la atmósfera. Cuanto mayor sea la CAPE, más probable será que haya convección. Si existen áreas de CAPE alta en la falda β, la convección profunda que se forma actuaría como una fuente de energía cinética de turbulencia y vorticidad . Esta energía a pequeña escala se convertirá en un chorro alrededor de la tormenta. El chorro de bajo nivel concentra la energía estocástica en un anillo casi axisimétrico 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 ocular secundaria. [17] [25]
Una vez que la pared del ojo secundario rodea por completo la pared del ojo interior, comienza a afectar la dinámica del ciclón tropical. Los huracanes se alimentan de 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 proveniente de los vientos espirales que se dirigen hacia adentro. Cuando se forma una pared del ojo exterior, la humedad y el momento angular necesarios para el mantenimiento de la pared del ojo interior se utilizan ahora para sostener la pared del ojo exterior, 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 interna y la externa del ojo, las observaciones con sondas de caída de agua 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 se encuentra fuera del radio de vientos máximos. Después de que se forma la pared externa del ojo, la subsidencia 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 entiende bastante bien.
Algunos ciclones tropicales con paredes externas del ojo extremadamente grandes no experimentan la contracción del ojo externo y la posterior disipación del ojo interno. El tifón Winnie (1997) desarrolló una pared externa del ojo con un diámetro de 200 millas náuticas (370 km) que no se disipó hasta que alcanzó 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 necesaria para colapsar la 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 asume 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 de recubrimiento alrededor de 700 hPa que se describe por aire cálido descendente. Por debajo de la capa de recubrimiento, el aire es húmedo y tiene convección con la presencia de nubes estratocúmulos. El foso adquiere gradualmente las características del ojo, sobre las cuales la pared interior del ojo solo puede disiparse en fuerza, ya que la mayor parte de la entrada ahora se utiliza para mantener la pared exterior del ojo. El ojo interior finalmente se evapora a medida que se calienta por el aire seco circundante en el foso y el ojo. Los modelos y las observaciones muestran que una vez que la pared exterior del ojo rodea completamente el ojo interior, se necesitan menos de 12 horas para la disipación completa de la pared interior del ojo. La pared interna del ojo se alimenta principalmente del aire húmedo de la parte inferior del ojo antes de evaporarse. [13]
Los huracanes anulares tienen una sola pared ocular que es más grande y circularmente simétrica. Las observaciones muestran que un ciclo de reemplazo de la pared ocular puede conducir al desarrollo de un huracán anular. Si bien algunos huracanes se convierten en huracanes anulares sin un reemplazo de la pared ocular, se ha planteado la hipótesis de que la dinámica que conduce a la formación de una pared ocular 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 ocular 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 ocular. Las simulaciones muestran que las principales bandas de lluvia crecerán de tal manera que los brazos se superpondrán y luego se enroscarán en sí mismas para formar una pared ocular concéntrica. La pared ocular interna se disipa, dejando un huracán con un ojo grande singular sin bandas de lluvia. [30]