INTRODUCCIÓN A LA DINÍMICA ATMOSFÉRICA

1. INTRODUCCIÓN A LA DINÍMICA ATMOSFÉRICA

2. Objetivo de la dinámica: El estudio del movimiento del aire en la atmósfera, sus causas y evolución futura. Constituye la base teórica de la predicción del tiempo atmosférico

3. Ecuaciones del movimiento: • Ley de Newton

4. Tipos de Fuerza • Tipos de fuerza en la atmósfera • El peso (gravedad) Gravedad -mg

5. Fuerza del gradiente de presión • La presión B A (peso/área de la columna A) pA pB (peso/área de la columna B) pA > pB FGP

6. Fuerza del gradiente de presión Fuerza del gradiente de presión FGP = - (1/) (p/n)*  es la densidad del aire  p es la diferencia de presión  n es la distancia entre los observatorios 1014 1012 * (por unidad de masa) Tiene aplicación a los mapas del tiempo..............

7. Fuerza del gradiente de presión Ignoremos la densidad P ~ 4 mb/100 km P ~ 8 mb/100 km cuanto más juntas están las isobaras, mayor es la fuerza del gradiente de presión 1012 1016 1020 1012 1016

8. Fuerza del gradiente de presión • Como es un vector, la fuerza de gradiente de presión tiene 3 componentes: 2 en el plano horizontal y una en la vertical: FGPx = -(1/) (p/x) FGPy = -(1/) (p/y) FGPz = -(1/) (p/z) Como ya se vio en su momento en condiciones de equilibrio hidrostáticoFGPz = -g. Ecuación válida en procesos a gran escala

9. Fuerzas no inerciales • Fuerza de Coriolis ¿Como se mueve la pelota ?: En línea recta o curva

10. Fuerzas no inerciales: fuerza de Coriolis • Si has dicho línea curva: Es que hay una fuerza que hace que la trayectoria se curve: La fuerza de Coriolis • ¿A que se debe ?: Pues a que el experimento lo hacemos en un sistema en rotación => Es un sistema no inercial. Nosotros vemos moverse al aire desde un sistema no inercial: La tierra en rotación respecto del eje polar, y por tanto necesitamos introducir en las ecuaciones del movimiento la fuerza de Coriolis

11. Fuerzas no inerciales: fuerza de Coriolis • La Tierra gira con una velocidad W = 2p radianes en 86400 segundos respecto del eje polar. Desde el punto de vista de un observador situado a una latitud f la tierra aparentemente gira con una velocidad W seno f. De tal forma que en el ecuador (f=0, seno f = 0) la velocidad de rotación aparente es cero y en el polo W (f =p/2, seno p/2=1)

12. Fuerzas no inerciales: fuerza de Coriolis • Hemos visto que la mesa se mueve en el sentido de las agujas del reloj y que la pelota se mueve hacia la izquierda respecto de la dirección en que es lanzada • La tierra gira en sentido contrario a las agujas del reloj (en el hemisferio norte) y por tanto la fuerza de Coriolis actúa hacia la derecha en dicho hemisferio:

13. Fuerzas no inerciales: fuerza de Coriolis • Que pasa con una globo que lanzamos desde Badajoz, que está a una latitud f. Según hemos dicho antes para un observador situado en Badajoz, la tierra gira aparentemente(respecto de la vertical del lugar) con una velocidad angular W seno(f). Así pues es como si estuviésemos sentados en una mesa que gira con una velocidad angular más baja que en el polo, pero que de todas formas gira. Por lo que el globo tenderá a virar hacia la derecha, independientemente de la dirección horizontal en la que se lance. ¿Que pasa si estamos en el Ecuador ?

14. Fuerzas no inerciales: fuerza de Coriolis • Para que aparezca la fuerza de Coriolis es necesario que el aire se mueva respecto de la Tierra (al igual que lo hace la pelota en el tiovivo). Esto es la velocidad relativa del aire debe de ser distinta de cero. Se puede ver que la fuerza de Coriolis vale por unidad de masa (módulo): FC = -2 W seno (f) v Siendo v la velocidad relativa

15. Fuerzas no inerciales: fuerza Centrífuga • Esta fuerza la hemos notado todo el mundo. Basta que montemos en autobus. Que pasa al entrar en la rotonda un poco deprisa. Pues tendemos a irnos hacia el lado contrario respecto a la dirección en la que vira el autobus: Es la fuerza centrifuga. Esta misma fuerza centrifuga la sentimos cuando gira la tierra respecto de su eje de rotación. Es la responsable de la forma achatada de la Tierra.

16. Aceleración Centrípeta En la realidad, la trayectoria del viento no es rectilínea. Vista desde arriba: el cuerpo se mueve en línea recta hasta que la pared lo impide Vista desde el interior: el cuerpo se desplaza hacia la izquierda cuando el coche gira a la derecha.

17. Rozamiento • Además de las fuerzas que acabamos de ver, practicámente todos los objetos que se mueven sufren algún tipo de rozamiento. Lo mismo le pasa al aire. Al moverse respecto del suelo sufre rozamiento con el mismo. Lo mismo sucede cuando algunas capas de aire se mueven unas respecto de las otras. El mayor rozamiento se da cerca del suelo, debido a la presencia de éste.

18. Juntando todas las fuerzas tenemos: F = FGP + FCO + FCE + FR+G y la ecuación de Newton resulta ser a = FGP + FCO + FCE + FR+G

19. Análisis de escala

21. Escala sinóptica

22. Análisis de escala aceleración Fuerza de presión Fuerza de Coriolis Fuerza de gravedad Componente x du/dt -(1/)p/x 2v sen - escalas Magnitudes (m/s2) 10-4 10-3 10-3 - Componente z dz/dt -(1/)p/z 2u cos g escalas Magnitudes (m/s2) 10-7 10 10-3 10 Escala sinóptica Dp/rL U/(L/U) 2WU W/(L/U) Dp/rH 2WU

23. Análisis de escala • A escala sinóptica: • Equilibrio entre la fuerza horizontal del gradiente de presión y la fuerza de Coriolis => Atmósfera geostrófica • Equilibrio entre la componente vertical del gradiente de presión y la gravedad => Atmósfera hidrostática

24. Viento geostrófico fuerza neta = FGPH + Co B 900 mb 904 mb 908 mb A Comencemos en reposo -- ¿cuáles son las fuerzas en la burbuja?

25. Viento geostrófico B 900 mb 904 mb FGP 908 mb A Inicialmente la fuerza de Coriolis es nula, pero al comenzar a ascender la burbuja, la fuerza de Coriolis deja de ser nula. Al aumentar la velocidad de la burbuja aumenta la fuerza de Coriolis.

26. Viento geostrófico B 900 mb V FGP 904 mb Co 908 mb A La FGP todavía supera a la de Coriolis. La burbuja sigue incrementando su velocidad y la fuerza de Coriolis continúa aumentando en módulo y provocando que la burbuja se desvíe hacia la derecha (en el hemisferio norte).

27. Viento geostrófico B 900 mb FGP V 904 mb Co 908 mb A En algún momento la FGP y la Coriolis se anularán. Entonces la burbuja continuará moviéndose de modo rectilíneo y uniforme (recordemos que hemos supuesto que el rozamiento es nulo) Esto se conoce como: Viento geostrófico

28. Viento geostrófico Badajoz ¿cuál es el viento geostrófico sobre Badajoz? 700 704

29. Viento geostrófico A B V Badajoz FGP Co 700 704

30. Efecto de rozamiento Cerca del suelo, los efectos del rozamiento son apreciables Fr Co FGP A B V El rozamiento tiende a reducir la velocidad y con ello la fuerza de Coriolis. Como consecuencia las fuerzas ya no se anulan.

31. Efecto de rozamiento Cerca del suelo, los efectos del rozamiento son apreciables Fr Co FGP A B V El rozamiento tiende a reducir la velocidad y con ello la fuerza de Coriolis. Como consecuencia las fuerzas ya no se anulan.

32. Efecto del rozamiento Circulación ciclónica Pero, el aire debe ir a algún sitio ... B B • convergencia • Ascenso del aire • “Mal” tiempo Winds are directed toward low pressure.

33. Efecto del rozamiento Circulación anticiclónica Pero, el aire venir de algún sitio ... A A • divergencia • Caída, descenso del aire • “buen” tiempo Winds are directed toward low pressure.

34. Aceleración Centrípeta En la realidad, la trayectoria del viento no es rectilínea. Vista desde arriba: el cuerpo se mueve en línea recta hasta que la pared lo impide Vista desde el interior: el cuerpo se desplaza hacia la izquierda cuando el coche gira a la derecha.

35. Aceleración centrípeta Esta fuerza “ficticia” se llama fuerza centrífuga y es consecuencia del giro del coche. Esta fuerza siempre actúa hacia afuera. ¿por qué la bola del extremo de la cuerda no sigue una trayectoria rectilínea? La única fuerza que apreciamos es la tensión de la cuerda La aceleración resultante se conoce con el nombre de aceleración centrípeta.

36. Aceleración centrípeta Desde la perspectiva de la bola (o de alguien dentro de un coche en una curva), parece que hay una fuerza empujando hacia afuera. Ésta es la fuerza centrífuga (Fc) y se manifiesta en todo objeto en rotación. aceleración centrípeta Fuerza centrífuga Para un movimiento uniforme, la fuerza centrífuga se anula con la tensión de la cuerda.

37. Flujo en torno a un centro de bajas presiones En este ejemplo, la fuerza centrífuga se suma a la de Coriolis. Para que la fuerza neta sea nula, la FGP debe igualar la suma de las otras dos. Puesto que la FGP no varía, la de Coriolis debe ser menor que para el flujo no curvo (geostrófico). Puesto que la fuerza de Coriolis es menor y ésta es proporcional a la velocidad, ésta debe ser menor. Por tanto, la velocidad del viento en torno a una baja es menor que el flujo rectilíneo con una misma FGP. Este flujo se llama subgeostrófico. B FGP Fc Co

38. Flujo en torno a un centro de altas presiones A Ahora la fuerza centrífuga se suma a la FGP. Para anular esta suma la fuerza de Coriolis debe ser mayor que para el flujo no curvo (geostrófico). Puesto que la fuerza de Coriolis es mayor y ésta es proporcional a la velocidad, ésta debe ser mayor. Por tanto, la velocidad del viento en torno a una alta es mayor que el flujo rectilíneo con una misma FGP. Este flujo se llama supergeostrófico. Co Fc FGP

39. Máximos gradientes de presión Alta A Con grandes gradientes de presión en torno a una alta, la fuerza de Coriolis debe compensar las fuerzas centrífuga y del gradiente de presión (grande). Cuando la componente horizontal de la FGP supera un cierto límite, la fuerza de Coriolis no puede anular la suma de las fuerzas centrífuga y del gradiente de presión, y el flujo circular no se podría mantener. No hay fuertes gradientes de presión cerca de un centro de altas Co = ? Fc FGP

40. Máximos gradientes de presión Baja B Con grandes gradientes de presión en torno a una alta, las grandes FGP deben anular las fuerzas centrífugas y de Coriolis. Teóricamente no hay límite para la componente horizontal de la fuerza del gradiente de presión, por lo que ésta puede anular la suma de las fuerzas centrífuga y de Coriolis y el flujo circular podría mantenerse. Puede haber fuertes gradientes de presión cerca de un centro de bajas FGP Fc Co

41. Superficies de presión Dibujo hipotético de una superficie de 500 mb

42. Vaguada Dorsal