domingo, 27 de septiembre de 2015

Meteorológía aeronáutica: La estratosfera y la tropopausa

LA ESTRATOSFERA

La estratosfera fue descubierta en 1902 simultánea e independientemente por el meteorólogo francés Teisserenc de Bort y por el alemán Richard Assmann, estudiando la estructura térmica de la atmósfera con la ayuda de globos-sonda. La baja estratosfera (por debajo de 30 km) esta caracterizada principalmente por una temperatura constante o incluso ligeramente creciente cuando se asciende. Por lo tanto, el gradiente vertical de temperatura es sensible mente nulo, lo que corresponde a una estabilidad muy grande, de donde procede el nombre de estratosfera, que indica que las diferentes capas permanecen independientes. 

Esto no significa, como se creyó al principio, que sea ésta una región perfectamente en calma. Se observan a veces vientos muy fuertes, pero no se producen nunca los movimientos verticales de convección que en la troposfera desempeñan un papel tan importante al agitar las diferentes capas y crear nubes por el mecanismo de la expansión adiabática. Debido a la pequeña cantidad de agua, no hay nubes en la estratosfera salvo las raras "nubes nacaradas" observadas algunas veces por encima de Escandinavia hacia los 20-30 km de altura. 

Captura de una PSC por un DC-8 de la NASA
 en el sur de Escandinavia.
Mas arriba todavía hacia unos 80 km, se han observado misteriosas "nubes nocturnas luminosas" Igualmente muy raras, pero cuya naturaleza ya se conoce desde hace años.


Nubes nocturnas luminiscentes fotografiadas por los astronautas de la Estación Espacial Internacional el 13 de julio de 2012. (Foto: NASA)

LA TROPOPAUSA

La ubicación de la tropopausa es de interés para los pilotos, ya que indica la altitud a la que la temperatura se vuelve constante a medida que aumenta la altitud. este es un factor de importación en los cálculos de rendimiento de la aeronave y de combustible. También da una indicación de la ubicación de las corrientes en chorro, fuertes vientos y la turbulencia asociados con ellos.

Este término designa la superficie de separación entre la troposfera y la estratosfera. Su altura varía con la latitud, siendo más baja encima de los polos (8 km), que en el ecuador (17 km). La temperatura de la baja estratosfera es de -55° C en los polos y -85° C en el ecuador. Por lo tanto, en la estratosfera las condiciones térmicas son inversas de las que reinan en los superficie.





En el dibujo superior se puede ver la estructura media de la atmósfera representada por un corte a lo largo de un meridiano. Las líneas finas son las isotermas; la línea de trazos gruesos, la tropopausa. Se ve la diferencia de altura y de temperatura de la tropopausa, además del rápido cambio de altura de la tropopausa en las regiones templadas asociadas generalmente a la presencia del "Jet stream". En las latitudes medias la altura de la tropopausa varía muy rápidamente. En ciertos casos hay incluso discontinuidad, dando la altura de la tropopausa un verdadero salto. Estas discontinuidades tienen un interés especialmente particular para la meteorología aeronáutica, puesto que están relacionadas con la existencia de la corriente de aire en chorro (Jet stream). 

Corriente de aire en chorro

Este flujo, descubierto en el curso de la Segunda Guerra Mundial, es una corriente de aire muy fuerte situada en las proximidades de la tropopausa. Suele asociarse a los límites de masas de aire de temperaturas diferentes (frentes) en la troposfera. El eje del chorro, es decir, la línea a lo largo de la cual la velocidad es máxima, se sitúa a una altura de 8-14 km y sigue aproximadamente un paralelo, que sopla del oeste hacia el este. Pueden dar una vuelta completa alrededor del polo, pero lo más corriente es que esté roto en varios trozos de 3.000 a 5.000 km de longitud. Sufre desplazamiento con las estaciones. En invierno está situado entre 20° y 35° de latitud norte, y en verano se desplaza has- ta 35°, 45° o incluso hasta 55° de latitud norte. Su recorrido no es rectilíneo, sino que forma sinuosidades, y su posición puede variar en varias decenas de kilómetros de un día a otro. 

La velocidad en el eje es generalmente de 150-300 km/h y excepcionalmente de 400 a 500 km/h. Es más débil en verano que en invierno, y permanece aproximadamente constante a lo largo del eje, pero desciende rápidamente al alejarse vertical o lateralmente. El decrecimiento es más rápido hacia el lado de la masa de aire polar, a la izquierda del eje, siendo igualmente en ese lado en el que encuentran las turbulencias de aire claro más frecuentes (es decir, en ausencia de nubes). Es- tas turbulencias se deben principalmente a la fricción que se produce por el contacto de las capas de aire vecinas animadas de velocidades diferentes.



En la figura superior se puede ver una sección a través del Jet stream. El corte está hecho en el plano de un meridiano, con el norte a la izquierda y el sur a la derecha. El viento sopla perpendicularmente al plano del dibujo desde el lector a la pantalla. Las líneas concéntricas son líneas de igual velocidad que el viento (Isotachs en inglés), velocidad que suele ser indicada en cada línea en m/s (no están indicadas en este dibujo). La velocidad en el eje (Jet core) es la más rápida, llegando e incluso superando los 100 m/s ó 360 km/h. En el lado norte, donde se encuentran más juntas las líneas Isotachs es donde seguramente se encuentre la zona más turbulenta. La línea azul es la tropopausa, en la que destaca su discontinuidad.      

La corriente en chorro circula en la zona más alta de la troposfera de oeste a este en ambos hemisferios. En el hemisferio norte tiene una longitud de 1.000 a 9.000 kilómetros, un espesor vertical de 1 a 5 kilómetros y una anchura de varios cientos de kilómetros.

Como la velocidad de la corriente en chorro es del mismo orden que la propia de los aviones, su explotación es económicamente interesante (cuando el viento es a favor -sotavento-), pues el vuelo en el mismo eje es muy tranquilo. Con estos vientos a favor se pueden lograr cosa casi increíbles en la aviación comercial, como por ejemplo la conseguida por el vuelo de British Airways 114 (un Boeing 777-200) que salió el jueves por la mañana a las 10:50 del aeropuerto John F. Kennedy en Nueva York y tardó tan sólo 5 horas y veinte minutos en aterrizar en el aeropuerto de Heatrow en Londres. esto significa que el avión voló a velocidades casi supersónicas (medidas desde la tierra). 

Boeing 777-200 jet stream
El Boeing 777-200 es un avión cuya velocidad máxima es de unos 950 Km/h, aunque normalmente viaja a unos 905 Km/h. La velocidad del sonido, a nivel del mar, es de unos 1235 Km/h. Si tenemos en cuenta que el vuelo BA-114 viajaba a unos 1.199 Km/h. Esto es casi un vuelo supersónico.

A veces es mejor volar rutas que son más largas, pero si se hacen dentro de las corrientes de aire a favor (Jet Stream) pueden ser mucho más cortas en términos de tiempo. Por ejemplo, para volar hacía los USA es mejor hacerlo por la ortodrómica o distancia más corta, cerca de los polos. Cuando se vienen de los USA es mejor utilizar la ruta de los vientos favorables aunque sea más larga. Ver post relacionado.
Como anécdota hay que decir, que el hecho de que un vuelo se retrase no tiene mayor importancia en el control de trafico aéreo... aunque es un problema, es lo usual y los controladores ya saben como deben de actuar. Pero que un vuelo regular llegue a su destino muchísimo antes de lo previsto es algo que descontrola por completo la gestión del tráfico aéreo.

Sin embargo el récord de cruzar el Atlántico Norte todavía lo ostenta el maravilloso Concorde en 1996, que además del empujón extra de los Jet stream hizo valer su velocidad supersónica, llevándole a la increíble hazaña de hacerlo en 2 horas y 52 minutos... ahí es ná! 



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