Perturbaciones y ondas a sotavento generadas por islas oceánicas: Tipos y Ejemplos ( y II)

 

RAM

Artículo de marzo de 2003. Recuperado en diciembre de 2009

Nota de la RAM. Este trabajo es continuación de otro que apareció en la RAM 8 de enero del 2003 a petición de un lector. Os remitimos a dicho artículo, si aún no habéis leído.

Ideas básicas conceptuales: el número de Reynolds

Consideremos una corriente de agua a velocidad constante en intensidad y dirección que incide sobre una isla idealizada con una costa vertical (en los esquemas conceptuales puede ser cilíndrica o plana).

La isla ejerce una fuerza sobre las partículas de agua que se acercan a ella que tiende a separarla del movimiento originario recto que seguiría si la isla no estuviera. Al desvirase de su trayectoria las partículas experimentan una aceleración. Esta aceleración tiende a alejar las partículas de la isla. A la vez, las partículas del fluido experimentan una fricción al pasar alrededor de la isla u obstáculo. La trayectoria de las partículas esta determinada por el balance de dos fuerzas, una asociada a la aceleración que la saca de su trayectoria original, fuerza de inercia, y otra fuerza, la de fricción, asociada al la capa o zona donde influye la presencia de la isla, ver figura adjunta.

Fuerzas inerciales y de viscosidad actúan sobre una partícula de un fluido cuando este choca contra un obstáculo.

El efecto de la isla sobre el flujo depende de la importancia de las fuerzas inerciales y de fricción. Si la fuerza de fricción predomina, las partículas del fluido se agolparan en la zona costera que bordea a la isla. Si la fuerza inercial predomina, las partículas tenderán a alejarse y desviarse de su trayectoria originaría y el flujo se alejará de la isla.

El cociente entre la fuerza inercial y la de fricción se le denomina Número de Reynolds, Re, que es adimensional y viene dado por:


Donde u es la velocidad original de las partículas antes de acercarse a la isla , L es la anchura de la isla y Ah es el coeficiente horizontal de fricción o viscosidad cinemática del fluido. Este coeficiente depende del grado de la fricción interna entre las partículas de un fluido en régimen turbulento.

El número de Reynolds nos puede indicar la probabilidad de que un fluido, en determinadas condiciones, pueda tener un régimen laminar o turbulento. Idealmente y en el flujo laminar las partículas o láminas del fluido se mueven sin generar remolinos o vórtices en su interior: se desplazan unas sobre otras sin mezclarse. Al aumentar la velocidad, Re aumenta y en un momento determinado aparecen el llamado régimen no laminar o turbulento.

Experimentos en tanques de laboratorio muestran que un obstáculo puede generar diferentes regímenes de flujo al soltear un flujo uniforme a dicho obstáculo según el número de Reynolds.

Básicamente existen cuatro tipos de flujos, según el valor que tome Re:

a.- Número de Reynolds es pequeño. En este caso, el flujo alrededor del obstáculo es controlado por la fuerza de fricción y la desviación del flujo originario ocurre solo en la llamada capa límite friccional y se dice que el flujo resultante es laminar y simétrico (Figura 1a).

Figura 1a

La isla u obstáculo interrumpe momentáneamente la trayectoria original de las partículas. A cierta distancia del obstáculo el flujo queda sin perturbar y adquiere las características iniciales. Este hecho no suele ocurrir en la realidad. Normalmente siempre existen perturbaciones a sotavento.


b.- Para números de Reynolds algo más grande, la capa fronteriza se separa detrás del obstáculo, creando un par de remolinos o vórtices que rotan en sentido contrario y generan un flujo de retorno central (Figura 1b).

 


Figura 1b

La convergencia que se produce a sotavento y detrás del obstáculo puede generar, en el caso de la atmósfera, nubosidad por convergencia.


c. Para números de Reynolds altos se forman ondas turbulentas a sotavento del obstáculo generando inestabilidades en las zonas de separación entre el flujo no perturbado y perturbado. (Figura 1c)



Figura 1c

En este caso de forman vórtices no muy bien definidos. La estructura a sotavento es en realidad una estela que deja la isla dentro del flujo general, perdurando más que las generadas en anteriores casos.

d.- Para número de Reynolds elevado, las ondas a sotavento se rompen en vórtices que se producen en el obstáculo y se separan de él de cada uno de sus lados a una velocidad del orden del 80% de la velocidad de fondo o no perturbada, u. La formación de una secuencia de vórtices o remolinos agrupados en dos calles es conocida como calles de vórtices de von Karman (vortex street). Ver la Figura 1d.



Figura 1d


Si nos centramos en este caso, y sin entrar en detalles y desarrollos físico-matemáticos, lo que ocurre es lo siguiente, aproximadamente.
Las partículas que fluyen hacia el obstáculo a una velocidad significativa se encuentran con otras que ya están más cerca y les impide su aproximación, siendo desviadas de su trayectoria. En la parte delantera del cilindro existe una acumulación de masa o represamiento de partículas, generado una zona de altas (presiones). En la parte trasera, se da el efecto contrario, una zona de mínimo de acumulación de partículas y, por lo tanto, una zona de bajas (presiones), donde la velocidad disminuye ostensiblemente e incluso toma dirección opuesta, respecto al flujo no perturbado.
Desde el punto de vista de la cizalladura tenemos que, en las capas próximas al cilindro u obstáculo, las partículas del fluido se apiñan, disminuyen su velocidad, creándose una zona de cizalladura, tanto más cuanto más alto es la velocidad y, por tanto, Re. Otra zona donde existe fuerte cizalladura se da en las proximidades del cilindro y en la parte trasera, donde se dan mínimos de velocidad (zona de la estela a sotavento del obstáculo).

Condiciones meteorológicas para la generación de ondas y vórtices a sotavento

Si en el número anterior de la RAM (8, de enero del 2003) examinamos las condiciones de generación de calle de vórtices de von Karman, ahora vamos a extender el estudio a lo casos numerados.

Los elementos claves, una vez más son la presencia de un obstáculo en flujo aéreo estable, una capa de nubes (estratocúmulos) que se ve perturbada rota por el obstáculo, la presencia de una inversión que este por debajo de la cima del obstáculo.

La presencia de nubes en el flujo son perturbar es un elemento llamativo pues resalta más la anormalidad nubosa a sotavento de la isla. A veces, no hay nubes y la propia convergencia detrás de la isla provocada por perturbaciones de viento y presión generan singularidades nubosas por convergencia.

En general, las islas que quedan por encima de la inversión son las que generan las anomalías de viento y nubosidad a sotavento. Si nos centramos en las Islas Canarias, serán Santa Cruz de Tenerife, Gran Canaria y La Palma, las que sean más proclives a desarrollar perturbaciones a sotavento con sus calles y remolinos. Lanzarote y Fuerteventura las menos proclives, aunque en determinadas condiciones llegan a dar estelas nubosas muy llamativas. Estas dos islas, al encontrarse alineadas al flujo del NE, no suelen dar una señal parecida a las que, conceptualmente, hemos señalado aquí.

Las zonas de anomalías de viento, presión y nubosidad son áreas en capas bajas donde se pueden dar fenómenos turbulentos, necesarios de predecir. Así, para la toma y despegue de aeronaves resulta significativo su presencia o no.

Tipos y ejemplos reales

Algunos de estos ejemplos han sido enviados por nuestros lectores. Las fotos se han bajado de Internet. Pondremos algunas de ellas con las referencias que hemos encontrado.

Estelas a sotavento de islas volcánicas de baja altura. La cubierta de estratocúmulos es rota por las islas. Tanto la mayor, en el centro, como otras menores, a la izquierda. En este caso aparece una estela nubosa alineada y justo a sotavento de la isla, se observan nubes asociada a la convergencia generada por el contraflujo. Las nubes que se apelmazan a barlovento de la isla no la superan, señal inequívoca de que la capa estable se encuentra por debajo de la cima de la nube.
El diferente colorido de las aguas oceánicas a sotavento de la isla es señal de la existencia de otros tipos de remolinos en el seno marino.
La imagen pudo ser tomada por algún satélite de la NASA.

 


Pequeñas islas italianas cercanas a la costa generan en la superficie marina estelas a sotavento con ausencia de nubes. El flujo es del oeste. La imagen fue tomada por el satélite europeo ERS-1 el 06-Mayo -1994 09:43 UTC. Foto ESA

 

La isla de Madeira deja tras de sí una estela de estratocúmulos y zona desprovista de nubes, según se aprecia en esta imagen VIS del Meteosat. El flujo es de componente NE y la situación atmosférica genera un escudo amplio de nubosidad. El viento no es muy intenso en esa zona y solo aparece una cola nubosa tras la isla, sin llegar a dar remolinos. Al final de dicha cola, la capa de estratocúmulos casi llega a recomponerse.

Las dos imágenes anteriores se corresponden con la misma situación sobre la isla de Madeira, pero esta vez las imágenes están tomadas por los satélites TIROS de la NOAA, con 1 km de resolución, aproximadamente. La superior es de canal VIS y la inferior es IR. Observe que en la imagen VIS aparecen estructuras ondulatorias que no se observan en la imagen IR.


Estelas de nubes cumuliformes de escaso desarrollo sobre una pequeña isla en un lago africano. El viento es del norte. Obsérvese que los cúmulos que pasan de tierra a agua se disipan en la parte norte de la foto, al entrar una zona más estable. Por el contrario, la isla genera un flujo de retorno a sotavento que mantiene y realza la nubosidad cumuliforme. Además, genera una estela nubosa que llega a alcanzar la orilla sur. Foto de origen desconocido, aunque se supone de la NASA.

La isla de Guadalupe, México, en agosto del 1991. La isla es elongada y de origen volcánico. Llega a alcanzar los 1370 m. El flujo del NE lleva asociado gran cantidad de estratocúmulos que impactan sobre la isla, sin . El viento no es muy intenso en capas bajas, ya que solo se forma una estela a sotavento sin remolinos aparentes. Foto NASA, Earth from Space

Estructuras de cúmulos agrupados en vórtices aparecen detrás de la Isla de Socorro, al sur de la península de la Baja California en México. La isla de San Benedicto, visible en esta foto, es mucho más pequeña y no genera ningún tipo de estela. La isla de Socorro llega a alcanzar los 1.100 m de altura, aproximadamente. Inicialmente los vórtices no se hacen visible por la ausencia de nubosidad a sotavento de la isla, pero están presente en el campo de vientos. Foto NASA.

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