Viento

Se llama viento al movimiento del aire, y es un resultado de las diferencias de presión atmosférica, atribuidas sobre todo a las diferencias de temperatura. Debido a que el calentamiento diferencial en superficie genera las diferencias de presión, la desigual distribución de la radiación solar, junto con las diferentes propiedades térmicas de las superficies terrestres y oceánicas, son los responsable de la formación del viento. El aire fluye desde las áreas de altas presiones a las de baja presión, por lo que el viento no es mas que un intento natural por balancear las diferencias de presión de gran escala.

Existen otros factores que afectan al viento. Si la Tierra no girara y si no hubiera fricción, el aire se movería directamente desde las áreas de altas presiones a las de baja presión. Pero como ambos efectos existen, el viento es controlado por una combinación de esos factores: la fuerza las variaciones de presión, el efecto de la rotación terrestre y la fricción del aire con la superficie.

Una fuerza en física se identifica por el efecto que produce. Uno de sus efectos es cambiar el estado de reposo o de movimiento de un objeto, cambia la velocidad del objeto, es decir produce una aceleración, esto es un aumento o disminución del valor del viento o un cambio en su dirección, o ambos. Cuando la fuerza neta actuando sobre una partícula es cero, esta se mueve con rapidez constante o se encuentra detenida. Una fuerza se mide en el Sistema Internacional en Newton, símbolo N.

Fuerza de las variaciones de presión.

Por las leyes de la dinámica de Newton, las causas que producen el movimiento son las fuerzas. Las variaciones de presión producen una fuerza, llamada fuerza del gradiente de presión, que contribuye a la formación del viento. Cuando una masa de aire es sometida a una mayor presión a un lado que al otro, el desbalance produce una fuerza dirigida desde la zona de alta presión a la de baja presión en forma perpendicular a las isobaras, cruzándolas en ángulo recto. Esta diferencia de presión entre lãs altas y las bajas presiones, produce el viento, y mientras mayor es la diferencia entre dos lugares, mayor es el viento en esa región.

Se llaman isobaras a las líneas que unen puntos de igual presión, similares a las isotermas. Los datos de presión en superficie se dibujan por médio de isobaras sobre mapas, cuyo resultado se llama carta de tiempo, carta sinóptica o carta de presión. La separación entre las isobaras indica las variaciones de presión sobre el mapa, a estas variaciones de presión se le llama gradiente de presión. En el mapa, donde los isobaras están más juntas, indican un gradiente de presión grande que produce vientos más fuertes, y donde los isobaras están más separadas, el gradiente de presión es mas pequeño y el viento es más débil. En la figura 7.1 se observan las isobaras en una carta sinóptica de Sudamérica, para un día representativo de una situación meteorológica cualquiera, obtenida con valores reales de presión en superficie. Las líneas en tonos verde a violeta representan áreas de bajas presiones y las de tono amarillo a rojo altas presiones. Del mapa se puede destacar, por ejemplo frente a la zona central de Chile, un centro de baja presión (asociado al cinturón de bajas presiones subpolares) centrado en 35º S, 75º W, con valores inferiores a 1006 hPa, con un fuerte gradiente de presión como se puede ver por el agrupamiento de isobaras en esa zona, lo que indica que los vientos son muy intensos en esa zona, y sobre el Pacífico, un centro de alta presión (conocido como anticiclón del Pacífico sur) centrado en torno a los 30º S, 100º W, con valores superiores a los 1025 hPa, con un gradiente de presión mas débil, indicativo de vientos leves en esa área.

Efecto de la rotación terrestre o de Coriolis.

Si bien la fuerza del gradiente de presión está dirigida desde las altas a bajas presiones, perpendicular a las isobaras, el viento no cruza las isóbaras en ángulo recto, sino que se produce una desviación del viento debido a la rotación de la Tierra. A esta desviación se le llama efecto de Coriolis, nombre puesto en honor de Gaspard de Coriolis (1792 – 1843), quién fue un ingeniero francés, que derivó las ecuaciones de movimiento de los cuerpos sobre un sistema de referencia en rotación, como la Tierra.

El efecto de Coriolis describe como todo objeto que se mueve libremente sobre la superficie terrestre, incluido el aire y las aguas, se desvía a causa de la rotación terrestre hacia la izquierda de su movimiento en el hemisfério sur y hacia la derecha en el hemisferio norte. Esta desviación se puede apreciar imaginando la trayectoria de un cohete que se lance desde el Polo Sur hacia un blanco B en el Ecuador, como se ilustra en la figura 7.2. Supongamos que al cohete le toma 2 horas en viajar desde el Pólo Sur hasta el blanco en el Ecuador, en ese tiempo la Tierra con el blanco fijo a ella habrá girado 30º hacia el este desde B hasta B’ con su velocidad angular Ω (de 360º en 24 horas), como se grafica en la línea de puntos roja de la figura 7.2. Así, un observador en tierra, por ejemplo fijo en B o en cualquier otro lugar, ve que el cohete se desvía hacia el oeste del blanco, como se muestra en la línea verde de la figura 7.2, esto es hacia la izquierda de la dirección del movimiento en el hemisferio sur. Esta visión es menos evidente en el movimiento este - oeste, pero igual se produce.

El efecto de Coriolis se manifiesta como una fuerza, que es la responsable de la desviación. La dirección de la fuerza de Coriolis tiene una gran componente apuntando en sentido opuesto a la fuerza de presión. Esto produce que la dirección del movimiento del aire sea no cruzando lãs isobaras, sino que aproximadamente paralelo a ellas. Si un observador en tierra se ubica mirando en la dirección hacia donde se mueve el aire, en el hemisferio sur las altas presiones quedan a la izquierda del observador y las bajas presiones a la derecha; en el hemisferio norte la situación es opuesta.

Físicamente la fuerza de Coriolis no es una fuerza real, aunque en lãs ecuaciones de movimiento se la trata como tal, porque produce un efecto similar al de una fuerza, esto es, aparentemente cambiar el estado de movimiento de un objeto (aire o agua por ejemplo). Pero no es el objeto el que cambia su movimiento, sino que es la Tierra la que esta girando debajo del objeto, el cual no tiene porque estar girando junto con la Tierra, y a un observador fijo al suelo, por lo tanto girando con la Tierra, le da la impresión que es el objeto el que se mueve, pero no es así, sino que es el observador el que esta girando con la Tierra. Por esto se la conoce como una fuerza aparente, es decir una fuerza que no es una fuerza o que no existe, pero su efecto si existe en el sistema en rotación y es desviar el movimiento. Otra implicancia física de la fuerza de Coriolis es que, como no es una fuerza real, no realiza trabajo, porque siempre es perpendicular a la dirección del movimiento.

La magnitud de la desviación producida por la fuerza de Coriolis tiene lãs siguientes características: (1) depende de la latitud, disminuye desde los polos, donde es máxima, hacia el Ecuador donde se anula y no se produce desviación, (2) siempre está dirigida perpendicular a la dirección del flujo, (3) afecta sólo a la dirección del flujo, no su rapidez y (4) es proporcional a la rapidez del viento. De la expresión matemática que aquí no mostramos, se pueden deducir todas estas características.

Fricción.

La fuerza de presión acelera el flujo desde las altas a las bajas presiones y la de Coriolis lo desvía en dirección de las isobaras. Pero la rapidez del viento no aumenta continuamente, por lo que debe existir otra fuerza que haga mantener aproximadamente constante la rapidez del viento y por lo tanto que se oponga a la fuerza de presión. De nuestra experiencia diaria, sabemos que si a un objeto en movimiento sobre una superficie se lo deja libre, después de un tiempo se detiene. Lo que produce esa detención es lo que llamamos fuerza de fricción o de roce.

El efecto de la fricción en superficie es disminuir la rapidez del viento y desviar el movimiento del aire a través de los isobaras, hacia el área de bajas presiones. El grado de irregularidad del terreno determina el ángulo que se desvía el viento respecto a los isobaras, como también la magnitud de su disminución. Sobre los océanos relativamente llanos, la fricción es pequeña y el aire se desvía entre 10º a 20º respecto a los isobaras y su rapidez disminuye aproximadamente a 2/3 respecto de su valor si no hubiese roce. Sobre terrenos muy irregulares donde la fricción es grande, el viento se puede desviar hasta en 45º y su rapidez reducirse hasta en un 50%. Este efecto de la fricción es especialmente importante cuando se considera el movimiento del aire alrededor de los centros de altas y bajas presiones en superficie, los rasgos más notorios en los mapas de tiempo, situación que se analizará cuando se estudien los vientos en superfície. El aire en movimiento es afectado por la irregularidad de la superficie terrestre, que produce el roce con el aire, pero a medida que ascendemos en la vertical, disminuye el efecto del roce. A alturas superiores a 1.0 – 1.5 km, el viento ya no es afectado por la fricción, soplando aproximadamente paralelo a las isobaras. Esta situación se analizará con mayor detalle cuando se estudien los vientos en altura.