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Gradiente del viento

En el uso común, el gradiente de viento , más específicamente el gradiente de velocidad del viento [ 1 ] o gradiente de velocidad del viento , [ 2 ] o alternativamente viento de...

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En el uso común, el gradiente de viento , más específicamente el gradiente de velocidad del viento [ 1 ] o gradiente de velocidad del viento , [ 2 ] o alternativamente viento de cizalladura , [ 3 ] es la componente vertical del gradiente espacial de la velocidad media horizontal del viento en la atmósfera inferior . [ 4 ] Es la tasa de aumento de la fuerza del viento con un aumento unitario en la altura sobre el nivel del suelo. [ 5 ] [ 6 ] En unidades métricas, a menudo se mide en unidades de velocidad (metros por segundo) divididas por unidades de altura (kilómetros), lo que resulta en m/s/km, que se reduce a un múltiplo de la unidad estándar de tasa de cizalladura , segundos inversos  (s⁻¹ ) .

Explicación sencilla

La fricción superficial obliga al viento superficial a disminuir su velocidad y cambiar de dirección cerca de la superficie terrestre , soplando directamente hacia la zona de baja presión, en comparación con los vientos en el flujo casi sin fricción muy por encima de la superficie terrestre. [ 7 ] Esta capa inferior, donde la fricción superficial disminuye la velocidad del viento y cambia su dirección, se conoce como la capa límite planetaria . El calentamiento solar diurno debido a la insolación engrosa la capa límite, ya que el aire calentado por el contacto con la superficie caliente de la Tierra asciende y se mezcla cada vez más con el aire de las capas superiores. El enfriamiento radiativo nocturno desacopla gradualmente los vientos en la superficie de los vientos por encima de la capa límite, aumentando la cizalladura vertical del viento cerca de la superficie, también conocida como gradiente de viento.

Caracterización

Típicamente, debido a la resistencia aerodinámica , existe un gradiente de viento en el flujo del viento, especialmente en los primeros cientos de metros sobre la superficie terrestre: la capa superficial de la capa límite planetaria . La velocidad del viento aumenta con la altura sobre el suelo, partiendo de cero [ 6 ] debido a la condición de no deslizamiento . [ 8 ] El flujo cerca de la superficie encuentra obstáculos que reducen la velocidad del viento e introducen componentes de velocidad verticales y horizontales aleatorias en ángulo recto con respecto a la dirección principal del flujo. [ 9 ] Esta turbulencia provoca una mezcla vertical entre el aire que se mueve horizontalmente en varios niveles, lo que tiene un efecto en la dispersión de contaminantes , [ 1 ] polvo y partículas de arena y suelo en suspensión. [ 10 ]

La reducción de la velocidad cerca de la superficie es función de la rugosidad de la superficie. Los perfiles de velocidad del viento son bastante diferentes para distintos tipos de terreno. [ 8 ] El terreno irregular y accidentado, así como las obstrucciones artificiales en el suelo, retardan el movimiento del aire cerca de la superficie, reduciendo la velocidad del viento. [ 4 ] [ 11 ] Debido a la superficie del agua relativamente lisa, las velocidades del viento no disminuyen tanto cerca del mar como en tierra. [ 12 ] Sobre una ciudad o terreno accidentado, el efecto del gradiente del viento podría causar una reducción del 40% al 50% de la velocidad del viento geostrófico en altura; mientras que sobre aguas abiertas o hielo, la reducción puede ser solo del 20% al 30%. [ 13 ] [ 14 ]

Para fines de ingeniería , el gradiente del viento se modela como una cizalladura simple que presenta un perfil de velocidad vertical que varía según una ley potencial con un coeficiente exponencial constante basado en el tipo de superficie. La altura sobre el suelo donde la fricción superficial tiene un efecto insignificante sobre la velocidad del viento se denomina "altura del gradiente" y se supone que la velocidad del viento por encima de esta altura es constante, denominada "velocidad del viento de gradiente". [ 11 ] [ 15 ] [ 16 ] Por ejemplo, los valores típicos para la altura del gradiente prevista son 457 m para grandes ciudades, 366 m para suburbios, 274 m para terreno abierto y 213 m para mar abierto. [ 17 ]

Aunque la aproximación del exponente de la ley de potencias es conveniente, no tiene base teórica. [ 18 ] Cuando el perfil de temperatura es adiabático , la velocidad del viento debería variar logarítmicamente con la altura, [ 19 ] Las mediciones sobre terreno abierto en 1961 mostraron una buena concordancia con el ajuste logarítmico hasta unos 100 m, con una velocidad media del viento casi constante hasta los 1000 m. [ 20 ]

La cizalladura del viento suele ser tridimensional, [ 21 ] es decir, también hay un cambio de dirección entre el viento geostrófico impulsado por la presión «libre» y el viento cerca del suelo. [ 22 ] Esto está relacionado con el efecto espiral de Ekman . El ángulo de isobara transversal del flujo ageostrófico desviado cerca de la superficie varía de 10° sobre aguas abiertas a 30° sobre terreno accidentado y montañoso, y puede aumentar a 40°-50° sobre tierra por la noche cuando la velocidad del viento es muy baja. [ 14 ]

Después de la puesta del sol, el gradiente del viento cerca de la superficie aumenta, con la creciente estabilidad. [ 23 ] La estabilidad atmosférica que ocurre durante la noche con enfriamiento radiativo tiende a contener remolinos turbulentos verticalmente, aumentando el gradiente del viento. [ 10 ] La magnitud del gradiente del viento está influenciada en gran medida por la altura de la capa límite convectiva y este efecto es aún mayor sobre el mar, donde no hay variación diurna de la altura de la capa límite como la hay sobre tierra. [ 24 ] En la capa límite convectiva, la mezcla fuerte disminuye el gradiente vertical del viento. [ 25 ]

Trascendencia

Ingeniería

El diseño de edificios debe tener en cuenta las cargas de viento, y estas se ven afectadas por el gradiente del viento. Los niveles de gradiente respectivos, generalmente asumidos en los Códigos de Construcción, son 500 metros para ciudades, 400 metros para suburbios y 300 m para terrenos abiertos y llanos. [ 26 ] Para fines de ingeniería, un perfil de velocidad del viento de ley de potencias puede definirse de la siguiente manera: [ 11 ] [ 15 ]vz=vgramo⋅(zzgramo)1/α,0<z<zgramo{\displaystyle v_{z}=v_{g}\cdot \left({\frac {z}{z_{g}}}\right)^{1/\alpha },0<z<z_{g}} dónde:

  • vz{\displaystyle v_{z}}= velocidad del viento a alturaz{\displaystyle z}
  • vgramo{\displaystyle v_{g}}= velocidad del viento a una altura de gradientezgramo{\displaystyle z_{g}}
  • α{\displaystyle \alpha }= coeficiente exponencial

turbinas eólicas

El funcionamiento de las turbinas eólicas se ve afectado por el gradiente del viento. Los perfiles verticales de velocidad del viento dan como resultado velocidades diferentes en las palas más cercanas al suelo en comparación con las de la parte superior del recorrido de la pala, lo que produce una carga asimétrica. [ 27 ] El gradiente del viento puede crear un gran momento flector en el eje de una turbina de dos palas cuando estas se encuentran en posición vertical. [ 28 ] El menor gradiente del viento sobre el agua permite utilizar torres de turbinas eólicas más cortas y económicas en parques eólicos ubicados en mares (poco profundos). [ 12 ] Sería preferible que las turbinas eólicas se probaran en un túnel de viento que simulara el gradiente del viento al que estarán expuestas, pero esto rara vez se realiza. [ 29 ]

Para la ingeniería de turbinas eólicas, se puede definir una variación polinómica de la velocidad del viento con la altura en relación con el viento medido a una altura de referencia de 10 metros como: [ 27 ] vw(h)=v10⋅(hh10)a{\displaystyle \ v_{w}(h)=v_{10}\cdot \left({\frac {h}{h_{10}}}\right)^{a}} dónde:

  • vw(h){\displaystyle v_{w}(h)}= velocidad del viento [m/s] , a alturah{\displaystyle h}
  • v10{\displaystyle v_{10}}= velocidad del viento [m/s] , a alturah10{\displaystyle h_{10}}= 10 metros
  • a{\displaystyle a}= exponente de Hellmann

El exponente de Hellmann depende de la ubicación costera, la forma del terreno y la estabilidad del aire. En la tabla siguiente se muestran ejemplos de valores del exponente de Hellmann: [ 30 ]

Planeo

Efecto del gradiente de viento en el despegue desde tierra del planeador.

En el vuelo sin motor, el gradiente de viento afecta las fases de despegue y aterrizaje de un planeador . El gradiente de viento puede tener un efecto notable en los lanzamientos desde tierra . Si el gradiente de viento es significativo o repentino, o ambas cosas, y el piloto mantiene la misma actitud de cabeceo, la velocidad aerodinámica indicada aumentará, posiblemente superando la velocidad máxima de remolque para el lanzamiento desde tierra. El piloto debe ajustar la velocidad aerodinámica para contrarrestar el efecto del gradiente. [ 31 ]

Al aterrizar, el gradiente de viento también representa un peligro, especialmente cuando los vientos son fuertes. [ 32 ] A medida que el planeador desciende a través del gradiente de viento en la aproximación final al aterrizaje, la velocidad aerodinámica disminuye mientras que la tasa de descenso aumenta, y no hay tiempo suficiente para acelerar antes del contacto con el suelo. El piloto debe anticipar el gradiente de viento y utilizar una mayor velocidad de aproximación para compensarlo. [ 33 ]

El gradiente de viento también representa un peligro para las aeronaves que realizan giros pronunciados cerca del suelo. Es un problema particular para los planeadores, que tienen una envergadura relativamente larga , lo que los expone a una mayor diferencia de velocidad del viento para un ángulo de alabeo dado . La diferente velocidad del aire que experimenta cada punta del ala puede provocar una pérdida de sustentación aerodinámica en un ala, causando un accidente por pérdida de control. [ 33 ] [ 34 ] El momento de alabeo generado por el diferente flujo de aire sobre cada ala puede exceder la autoridad de control de los alerones , lo que provoca que el planeador continúe alabeándose con un ángulo de alabeo más pronunciado. [ 35 ]

Navegación

En la navegación a vela , el gradiente del viento afecta a los veleros al presentar una velocidad del viento diferente a la vela a distintas alturas a lo largo del mástil . La dirección también varía con la altura, pero los marineros se refieren a esto como "cizalladura del viento". [ 36 ]

La indicación de velocidad y dirección aparente del viento en los instrumentos de tope del mástil es diferente de lo que el marinero ve y siente cerca de la superficie. [ 37 ] [ 38 ] Los fabricantes de velas pueden introducir torsión en el diseño de la vela, donde la parte superior de la vela se coloca en un ángulo de ataque diferente al de la parte inferior para cambiar la distribución de sustentación con la altura. El efecto del gradiente del viento puede tenerse en cuenta en la selección de la torsión en el diseño de la vela, pero esto puede ser difícil de predecir ya que el gradiente del viento puede variar ampliamente en diferentes condiciones meteorológicas. [ 38 ] Los marineros también pueden ajustar el trimado de la vela para tener en cuenta el gradiente del viento, por ejemplo, utilizando un vang de botavara . [ 38 ]

Según una fuente, [ 39 ] el gradiente del viento no es significativo para los veleros cuando el viento supera los 6 nudos (porque una velocidad del viento de 10 nudos en la superficie corresponde a 15 nudos a 300 metros, por lo que el cambio de velocidad es insignificante en la altura del mástil de un velero). Según la misma fuente, el viento aumenta de forma constante con la altura hasta unos 10 metros con vientos de 5 nudos, pero menos si hay menos viento. Esa fuente afirma que en vientos con velocidades medias de seis nudos o más, el cambio de velocidad con la altura se limita casi por completo a los uno o dos metros más cercanos a la superficie. [ 40 ] Esto es consistente con otra fuente, que muestra que el cambio en la velocidad del viento es muy pequeño para alturas superiores a 2 metros [ 41 ] y con una declaración de la Oficina de Meteorología del Gobierno Australiano [ 42 ] según la cual las diferencias pueden ser tan pequeñas como el 5% en aire inestable. [ 43 ]

En el kitesurf , el gradiente del viento es aún más importante, porque la cometa de potencia se vuela con líneas de 20-30 m, [ 44 ] y el kitesurfista puede usar la cometa para saltar fuera del agua, llevando la cometa a alturas aún mayores sobre la superficie del mar.

Propagación del sonido

El gradiente de viento puede tener un efecto pronunciado en la propagación del sonido en la atmósfera inferior. Este efecto es importante para comprender la propagación del sonido desde fuentes distantes, como sirenas de niebla , truenos , explosiones sónicas , disparos u otros fenómenos como los espejismos . También es importante para estudiar la contaminación acústica , por ejemplo, la causada por el ruido de las carreteras y el ruido de los aviones , y debe considerarse en el diseño de barreras acústicas . [ 45 ] Cuando la velocidad del viento aumenta con la altitud, el viento que sopla hacia el oyente desde la fuente refractará las ondas sonoras hacia abajo, lo que resultará en un aumento de los niveles de ruido a sotavento de la barrera. [ 46 ] Estos efectos se cuantificaron por primera vez en el campo de la ingeniería de carreteras para abordar las variaciones en la eficacia de las barreras acústicas en la década de 1960. [ 47 ]

Cuando el sol calienta la superficie terrestre, se produce un gradiente de temperatura negativo en la atmósfera. La velocidad del sonido disminuye con la disminución de la temperatura, lo que también crea un gradiente de velocidad del sonido negativo . [ 48 ] El frente de la onda sonora viaja más rápido cerca del suelo, por lo que el sonido se refracta hacia arriba, alejándose de los oyentes en el suelo, creando una sombra acústica a cierta distancia de la fuente. [ 49 ] El radio de curvatura de la trayectoria del sonido es inversamente proporcional al gradiente de velocidad. [ 50 ]

Un gradiente de velocidad del viento de 4 (m/s)/km puede producir una refracción equivalente a un gradiente térmico típico de 7,5  °C/km. [ 51 ] Valores más altos del gradiente del viento refractarán el sonido hacia abajo, hacia la superficie, en la dirección del viento, [ 52 ] eliminando la sombra acústica en el lado del viento. Esto aumentará la audibilidad de los sonidos a favor del viento. Este efecto de refracción a favor del viento se produce porque existe un gradiente de viento; el sonido no es transportado por el viento. [ 53 ]

Por lo general, habrá tanto un gradiente de viento como un gradiente de temperatura. En ese caso, los efectos de ambos podrían sumarse o restarse dependiendo de la situación y la ubicación del observador. [ 54 ] El gradiente de viento y el gradiente de temperatura también pueden tener interacciones complejas. Por ejemplo, una sirena de niebla puede ser audible en un lugar cercano a la fuente y en un lugar distante, pero no en una zona de sombra acústica entre ellos. [ 55 ] En el caso de la propagación transversal del sonido, los gradientes de viento no modifican de forma significativa la propagación del sonido en relación con la condición sin viento; el efecto del gradiente parece ser importante solo en configuraciones a favor y en contra del viento. [ 56 ]

Para la propagación del sonido, la variación exponencial de la velocidad del viento con la altura se puede definir de la siguiente manera: [ 46 ]U(h)=U(0)hζ{\displaystyle U(h)=U(0)h^{\zeta }}dUdh=ζU(h)h{\displaystyle {\frac {dU}{dh}}=\zeta {\frac {U(h)}{h}}} dónde:

  • U(h){\displaystyle U(h)}= velocidad del viento a alturah{\displaystyle h}, yU(0){\displaystyle U(0)}es una constante
  • ζ{\displaystyle \zeta }= coeficiente exponencial basado en la rugosidad de la superficie del terreno, generalmente entre 0,08 y 0,52
  • dUdh{\displaystyle {\frac {dU}{dh}}}= gradiente de viento esperado a alturah{\displaystyle h}

En la batalla de Iuka de la Guerra Civil Estadounidense de 1862 , una sombra acústica , que se cree que fue intensificada por un viento del noreste, mantuvo a dos divisiones de soldados de la Unión fuera de la batalla, [ 57 ] porque no podían oír los sonidos de la batalla a solo seis millas a favor del viento. [ 58 ]

Los científicos han comprendido el efecto del gradiente del viento sobre la refracción del sonido desde mediados del siglo XX; sin embargo, con la entrada en vigor de la Ley de Control del Ruido de los Estados Unidos , este fenómeno refractivo se utilizó ampliamente a partir de principios de la década de 1970, principalmente en el estudio de la propagación del ruido en las carreteras y el consiguiente diseño de las infraestructuras de transporte. [ 59 ]

Elevación por gradiente de viento

Este albatros es un experto en vuelo dinámico aprovechando el gradiente del viento.

El planeo con gradiente de viento, también llamado planeo dinámico , es una técnica utilizada por aves planeadoras como los albatros . Si el gradiente de viento es de magnitud suficiente, un ave puede ascender en él, intercambiando velocidad respecto al suelo por altura, mientras mantiene la velocidad del aire. [ 60 ] Al girar a favor del viento y descender a través del gradiente de viento, también pueden ganar energía. [ 61 ]

Véase también

Referencias

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