Transcript Viento (2)
Física Ambiental Aplicada EL EQUILIBRIO DE FUERZAS EN LA ATMÓSFERA: VIENTOS (2) Antonio J. Barbero Dpto. Física Aplicada UCLM Física Ambiental Aplicada VIENTO GEOSTRÓFICO El viento geostrófico es el resultado del equilibrio entre la fuerza de presión y la fuerza Coriolis. La fuerza de Coriolis desvía el flujo hasta que éste llega a ser paralelo a las isobaras cuando su módulo llega a ser tan grande como el módulo de la fuerza de presión. (Hemisferio Norte) densidad 1 p FP FCOR vG p presión n normal n En todo lo que sigue hablamos de fuerzas por unidad de masa Condición equilibrio n vG f vG 1 p f n F. presión (f. bárica) Fp p f. Coriolis 1 p n FCOR f v Velocidad v vG p cte La fuerza de presión incrementa poco a poco la velocidad: esto hace crecer poco a poco la fuerza de Coriolis. p 1 f n f 2 sin Factor de Coriolis Viento geostrófico Trayectoria de una masa de aire inicialmente en reposo y sometida a la fuerza bárica. La fuerza de Coriolis se va incrementa a medida que aumenta la velocidad FCOR 2 sin v Velocidad del viento geostrófico en función de la altura sobre la superficie vG 1 p f n 1 p z f z n vG g z f n Además, este incremento cambia el módulo de la velocidad y también su dirección Observación importante: la condición de equilibrio para la que hemos deducido la velocidad vG del viento geostrófico se cumple estrictamente sólo cuando las isobaras son paralelas entre si. Ec. hidrostática p z g 2 Física Ambiental Aplicada VIENTO DEL GRADIENTE. CIRCULACIÓN CICLÓNICA. El viento del gradiente es el resultado del equilibrio entre la fuerza de presión, la fuerza Coriolis y la fuerza centrífuga. HEMISFERIO NORTE Constituye una buena aproximación al viento real. 1 p FP B Fg FCOR FP Fg R v f 2 sin 1 p 2 n centrífuga R f v En el sistema acelerado la fuerza bárica equilibra la suma de Coriolis y centrífuga. f R f R 4 2 2 v R p n f R v 2 2 2 B F P FCOR F g FCOR f v v Circulación ciclónica f. bárica n f R 2 4 Solución con flujo ciclónico R p n v 2 v R 2 f v R v f Rv 2 v f R R p n 2 2 f R 4 1 p n 0 0 2 R p n Solución con flujo anticiclónico: circulación ANTICICLÓNICA alrededor de la baja presión. Esta solución corresponde a fuerza bárica y fuerza de Coriolis apuntando hacia adentro, y compensadas por una fuerza centrífuga dirigida hacia fuera. F P FCOR F g v f Rv 2 BAJA ANÓMALA v R p n f R 2 0 v 2 2 f R f R 4 2 R p n 2 f R 4 2 R p n (algunos huracanes, tornados) FCOR B Fg FP v 3 Física Ambiental Aplicada VIENTO DEL GRADIENTE. CIRCULACIÓN ANTICICLÓNICA. El viento del gradiente es el resultado del equilibrio entre la fuerza de presión, la fuerza Coriolis y la fuerza centrífuga. HEMISFERIO NORTE Constituye una buena aproximación al viento real. FP Circulación anticiclónica 1 p f. presión n FCOR f v A FCOR v R f R FP Fg Fg v FCOR F P F g f 2 sin 1 p n 2 v 2 R 2 2 v 2 R p n v f R 2 2 f R 4 2 2 Solución flujo anticiclónico R p n 2 f v R v f Rv En el sistema acelerado la fuerza Coriolis equilibra la suma de bárica y centrífuga. f R 4 v f v centrífuga R A v f R 2 R p n 2 f R 4 1 p n 0 0 2 R p n Solución con flujo ciclónico: circulación CICLÓNICA alrededor de la alta presión. Esta solución es IMPOSIBLE, porque el diagrama de fuerzas asociado correspondería a fuerza bárica fuerza de Coriolis y fuerza centrífuga apuntando todas hacia afuera. De forma que no habría modo de equilibrarlas en el sistema acelerado. v A FCOR FP Fg IMPOSIBLE 4 Física Ambiental Aplicada EJEMPLO 1. El mapa de isobaras de la figura corresponde a 45º de latitud norte. Estimar la velocidad del viento del gradiente en los puntos 1 y 2. Densidad del aire 1.2 kg·m-3. Aplicación de la fórmula del viento del gradiente. Sistema ciclónico. 1 f R v 2 f R 2 B 2 4 R p n 2 Factor Coriolis a 45º N 2 f 2 sin 2 4 sin 45 1 . 03 ·10 s 1 86400 25 km Cálculos punto 1 25 km Situado entre las isobaras de 992 mb y 996 mb p1 4 mb 400 Pa n1 50 km Fg n1 50 km p FCOR v f R 2 LATITUD (º) RADIO (km) f R R p 4 n 2 2 (º) = R (km) = 45 100 DENSIDAD (kg·m-3) = 1,2 Gradiente de presión p (mb) = n (km) = p p Pa/m n n factor Coriolis f 4 50 8,00E-03 1,03E-04 R p m 666,67 n s n 2 2 f 2 R2 m 4 s n1 R1 p 1 R 1 100 km FP n1 26,44 2 2 f R1 400 50 ·10 3 8·10 v1 f R1 2 2 2 f R1 4 3 8·10 1 .03 ·10 4 ·10 5 2 4 f R1 2 -5,14 100 ·10 R1 p 1 n1 3 1 .2 4 VELOCIDAD v (m/s) = 21,18 VIENTO DEL GRADIENTE v (km/h) = 76,3 p1 3 Pa/m v f 2 R 2 R p m 26,33 4 n s f R m 2 s 4 1 . 03 ·10 ·10 m 667 s m 26 . 5 s 5 5 . 15 2 m s 5 . 14 26 . 33 21 . 18 5 2 m s 2 Física Ambiental Aplicada EJEMPLO 1. El mapa de isobaras de la figura corresponde a 45º de latitud norte. Estimar la velocidad del viento del gradiente en los puntos 1 y 2. Densidad del aire 1.2 kg·m-3. Aplicación de la fórmula del viento del gradiente. Sistema ciclónico. 1 f R v 2 f R 2 B 2 4 R p n 2 Factor Coriolis a 45º N 2 f 2 sin 2 sin 45 1 . 03 ·10 4 s 1 86400 25 km v 25 km Cálculos punto 2 2 FCOR F g FP R 2 125 km Situado entre las isobaras de 996 mb y 1000 mb p 2 n 2 60 km n 2 60 km p v f R 2 f 2 R 2 R p 4 n (º) = R (km) = 45 125 DENSIDAD (kg·m-3) = 1,2 LATITUD (º) RADIO (km) Gradiente de presión p (mb) = n (km) = p p Pa/m n n factor Coriolis f 4 60 6,67E-03 1,03E-04 n R p m 694,44 n s 2 p2 n2 n2 41,32 2 2 f R2 f 2 R 2 R p m 27,12 4 n s -6,43 v2 f R2 2 2 2 f R2 4 400 60 ·10 6 . 67 ·10 3 125 ·10 4 6 . 67 ·10 3 ·1 . 25 ·10 5 2 4 f R2 R2 p2 n2 4 3 3 1 .2 1 .03 ·10 2 VELOCIDAD v (m/s) = 20,70 VIENTO DEL GRADIENTE v (km/h) = 74,5 4 f R m 2 s R2 p2 2 f 2 R2 m 4 s 4 mb 400 Pa 1 . 03 ·10 ·1 . 25 ·10 Pa/m m 694 s m 41 . 3 s 5 6 . 43 2 m s 6 . 43 27 . 12 20 . 70 6 m s 2 2 Física Ambiental Aplicada Escala de Beaufort de la Fuerza de los Vientos 7 http://es.wikipedia.org/wiki/Escala_de_Beaufort Física Ambiental Aplicada EJEMPLO 2. Las latitudes de los puntos 1 y 2 de la figura son 50º N y 40º N respectivamente. Estimar la velocidad del viento del gradiente en cada uno de ellos. Densidad del aire 1.2 kg·m -3. Aplicación de la fórmula del viento del gradiente. Sistema anticiclónico. 1 Fg f R v n1 775 km 2 f R 2 FP v 2 4 R p n Cálculos punto 1 FCOR A Factor Coriolis a 50º N 100 km 2 f 2 sin 2 R1 1000 km sin 50 1 . 11·10 4 s 1 86400 2 100 km Situado entre las isobaras de 1024 mb y 1020 mb p1 4 mb Estimación gráfica v f R 2 f 2 R 2 R p 4 n LATITUD (º) RADIO (km) (º) = R (km) = DENSIDAD (kg·m-3) = Gradiente de presión p (mb) = n (km) = p p Pa/m n n factor Coriolis f p R p m 430,11 n s 2 50 1000 1,2 4 775 5,16E-04 1,11E-04 n f R m 2 s p1 n1 2 2 f R1 51,70 n1 R1 p 1 2 f 2 R2 m 3103,42 4 s f 2 R 2 R p m 4 n s 775 ·10 1000 ·10 2 v1 f R1 2 2 2 f R1 4 5 . 16 ·10 3 5 . 16 ·10 4 ·10 6 2 4 f R1 VELOCIDAD v (m/s) = 4,00 VIENTO DEL GRADIENTE v (km/h) = 14,4 3 1 .2 4 55,71 n1 775 km 400 1 .11·10 R1 p 1 n1 4 400 Pa 1 . 11·10 ·10 4 4 Pa/m m 430 s m 3103 s 6 55 . 71 m 2 s 55 . 71 51 . 70 4 . 0 8 m s 2 2 Física Ambiental Aplicada EJEMPLO 2. Las latitudes de los puntos 1 y 2 de la figura son 50º N y 40º N respectivamente. Estimar la velocidad del viento del gradiente en cada uno de ellos. Densidad del aire 1.2 kg·m -3. Aplicación de la fórmula del viento del gradiente. Sistema anticiclónico. 1 2 f R v f R 2 2 4 R p n Cálculos punto 2 R 2 500 km A FCOR 100 km v 2 Factor Coriolis a 40º N n 2 320 km FP 100 km v 2 LATITUD (º) RADIO (km) f 2 R 2 R p 4 n (º) = R (km) = DENSIDAD (kg·m ) = -3 p p Pa/m n n factor Coriolis f 4 320 1,25E-03 9,35E-05 p n 2 f 2 R2 m 546,27 4 s f R R p m 4 n s 2 Gradiente de presión p (mb) = n (km) = Estimación gráfica 2 1,2 5 s 1 86400 R p m 520,83 n s 40 500 sin 40 9 . 35 ·10 Situado entre las isobaras de 1024 mb y 1020 mb p 2 Fg f R 2 f 2 sin 2 p2 n2 R1 p 2 n2 n 2 320 km 400 320 ·10 4 mb 400 Pa 1000 ·10 3 1 . 25 ·10 3 1 . 25 ·10 1 .2 3 3 Pa/m m 521 s 2 5,04 2 2 f R2 9 .35 ·10 4 f R m 23,37 2 s VELOCIDAD v (m/s) = 18,33 VIENTO DEL GRADIENTE v (km/h) = 66,0 5 2 v2 2 2 2 f R2 4 ·5·10 5 2 4 f R2 f R2 5 R2 p2 n2 9 . 35 ·10 ·5·10 m 546 s 5 23 . 37 2 m s 23 . 37 5 . 04 18 . 33 9 m s 2 2 Tema 5, problema resuelto 3 / p1 a) Esquema de fuerzas en la borrasca Viento geostrófico: equilibrio entre fuerza bárica y Coriolis Factor Coriolis f 2 sin 2 2 sin 45 1 . 03 ·10 4 s 1 86400 v B FP FP FCOR 1 p n Si F P FCOR 1 p n f vG 1 p vG v G 18 . 35 m/s f n FCOR f v Datos: p n 0 . 02 mb km 0 . 02 100 Pa 3 10 m 2·10 3 Pa m 1 . 06 kg·m 3 66 km/h Observación importante: el viento geostrófico vG corresponde a isobaras paralelas, pues en esa situación el radio de curvatura tiende a infinito y la fuerza centrífuga tiende a cero. Nótese que en el esquema anterior las isobaras no son paralelas. Por eso para describir el viento real hay que emplear el concepto de viento del gradiente (véase apartado b). 10 Tema 5, problema resuelto 3 / p2 b) Viento del gradiente. Circulación ciclónica. Descripción más aproximada del viento real en la borrasca, porque ahora tenemos en cuenta la curvatura de las isobaras y la fuerza centrífuga. 2 2 f R v 2 R p n 2 f R 700 ·10 3 2·10 1 . 06 2 1 .03 ·10 4 4 3 m 1321 s ·700 ·10 3 2 4 f R 4 1 . 03 ·10 ·700 ·10 2 v 2 f R 2 2 f R 4 36 R p n 4 R p Fg FP FCOR n v 2 f R 2 5 4.6 km/h 36 . 00 51 . 15 15 . 16 m s c) Vemos que el efecto de introducir la fuerza centrífuga es que la velocidad del viento del gradiente es menor que la del viento geostrófico calculada en el apartado anterior (subgeostrófico). f 2 R 2 R p 4 n (º) = R (km) = 45 700 DENSIDAD (kg·m-3) = 1,06 LATITUD (º) RADIO (km) m s 2 B 2 m 1296 s 3 f R v Gradiente de presión p (mb) = n (km) = p p Pa/m n n factor Coriolis f 0,02 1 2,00E-03 1,03E-04 R p m 1320,75 n s 2 2 f 2 R2 m 1295,68 4 s f 2 R 2 R p m 51,15 4 n s f R m 2 s -36,00 VELOCIDAD v (m/s) 11 = 15,16 VIENTO DEL GRADIENTE v (km/h) = 54,6 Tema 5, problema resuelto 3 / p3 d) Fuerzas del viento del gradiente (por unidad de masa) FUERZA BÁRICA FP e, f) La solución negativa* quiere decir la correspondiente a una baja anómala, en la que la suma de fuerza bárica y fuerza de Coriolis es equilibrada por la fuerza centrífuga. 1 p (m·s-2) = 1,89E-03 n F P FCOR F g v f R 2 f R 2 FUERZA CORIOLIS Fg 4 R p n VELOCIDAD v (m/s) = 87,15 VIENTO DEL GRADIENTE v (km/h) = 313,7 FCOR f v (m·s-2) = 1,56E-03 FUERZA CENTRÍFUGA 2 FUERZAS DEL VIENTO DEL GRADIENTE (BORRASCA ANÓMALA) FUERZA BÁRICA v2 (m·s-2) = 3,28E-04 R FP 1 p (m·s-2) = 1,89E-03 n FUERZA CORIOLIS Flujo (baja anómala) B FCOR FCOR f v (m·s-2) = 8,96E-03 Fg FP FUERZA CENTRÍFUGA v * El enunciado se refiere a una solución negativa porque el valor numérico de la velocidad también puede obtenerse del mismo razonamiento del que dedujimos la ecuación de la baja normal pero con signo negativo en la raíz cuadrada, lo cual puede interpretarse como flujo anticiclónico. v2 (m·s-2) = 1,08E-02 Fg R v f R 2 2 f R 4 2 R 12 p n