Hola a todos. Aunque sigo los temas de Meteored desde hace bastante tiempo y me apunté como miembro hace unos dos años, nunca había participado en las discusiones. Pero como el asunto este de los tornados, las trombas y las tolvaneras me pone, ahora no me puedo resistir y me gustaría aportar mi granito de arena. Tengo hecho un pequeño trabajo sobre este tema en un PDF, pero no sé  cómo adjuntarlo (el tipo de archivo no se admite y me parece que el tamaño es demasiado grande). Si alguien me dice cómo hacerlo, se lo agradecería.

En resumen, se trata de ligar estos fenómenos al más general de las corrientes ascendentes en ambientes convectivos, entendidas como corrientes de succión formadas en la estela de una primera y gran "burbuja" ascendente. Para ello utilizo el concepto de "dynamic pipe effect" (efecto de tubo dinámico), que aunque surgió en los años 70 del siglo pasado parece algo olvidado, y una forma de estiramiento de la corriente asociada a la velocidad creciente de esa primera burbuja que lidera el movimiento del aire tras ella.

El efecto de tubo dinámico consiste en lo siguiente: una fuerza ("body force" en la teoría) arrastra una porción de aire hacia  arriba y el aire  de los alrededores converge horizontalmente para rellenar  el hueco; por conservación del momento angular, ese aire convergente, que dispone al menos de la vorticidad terrestre, adquiere un  carácter rotatorio; para valores ni muy grandes ni muy pequeños de la fuerza inicial, termina por alcanzarse un equilibrio ciclostrófico entre la fuerza centrífuga y la del gradiente horizontal de presión; una vez alcanzado este equilibrio ya no es posible la entrada de aire en el núcleo a baja presión, excepto por su extremo inferior; este proceso se repite sucesivamente, llevando el extremo inferior del tubo hacia abajo; si llega a tocar la superficie, tendremos un tornado, una tromba o una tolvanera dependiendo de la intensidad de la fuerza y del tamaño del área sobre la cual actúa; si no llega a superficie, no tendremos tornado, tromba ni tolvanera, pero la corriente giratoria estará siempre presente por debajo de la fuerza, fuera de nuestra vista (en el interior de la nube, si está asociada a una tormenta, o sin levantar polvo del suelo, si está asociada al calentamiento de mediodía) y sólo detectable, si acaso, por un radar Doppler. Para que este fenómeno se produzca basta que se concentre en un área relativamente pequeña la vorticidad terrestre del área afectada por la succión del tubo. Por supuesto, si además la  vorticidad  relativa media (la efectiva y la que se pueda obtener por inclinación de la cizalladura vertical del viento) de esa área afectada por la succión es positiva, el vórtice se formará con mayor facilidad; si es negativa, será más difícil que se  forme.

Con respecto al estiramiento dinámico del aire en el interior del tubo giratorio, nos permite abordar otro aspecto que también suele dejarse de lado: la velocidad vertical de la propia corriente, que alcanza sus valores máximos en la parte inferior de la misma. Esto es así gracias a la propagación hacia abajo tanto de la depresión formada por la fuerza inicial, como de un "efecto muelle" asociado al carácter compresible del aire. Las velocidades máximas que obtengo para situaciones reales en las que se han producido tornados son excepcionalmente grandes (más de 200 m/s) y parecen ser las necesarias para elevar hasta alturas significativas objetos tan pesados y compactos como los que se describen en los reportes sobre tornados. Pero nunca se han medido directamente. De todas formas, la falta de datos no excluye la posibilidad de que esas velocidades tan grandes se alcancen realmente: para que un radar Doppler pudiese "verlas", debería estar situado justo bajo la corriente ascendente y "mirando" hacia arriba. Incluso aunque ese caso fuese posible, la velocidad medida sería la de los objetos arrastrados por la corriente, no la del propio aire.

Bueno, perdonad si me he extendido un poco y hasta pronto

Que va Elwe, no me he mosqueado hombre. En realidad lo que quería transmitir era como una coña, pero claro que no me expresé bien. 

Citararrastra una porción de aire hacia  arriba y el aire  de los alrededores converge horizontalmente para rellenar  el hueco; por conservación del momento angular, ese aire convergente, que dispone al menos de la vorticidad terrestre, adquiere un  carácter rotatorio; para valores ni muy grandes ni muy pequeños de la fuerza inicial, termina por alcanzarse un equilibrio ciclostrófico

Perdona Ninguno, ¿pero explicas la formación de un ciclón a una escala lo suficientemente grande como para que la fuerza de Coriolis pueda ser considerada, o es yo no me entero de nada?

Por cierto, la tercera teoría que ha citado Colareis es la misma que había comentado. Digamos que quería exponer una forma clásica para la formación de un tornado.

Citar3.- La tercera teoría es que la cizalladura vertical del viento horizontal en la capa límite es la responsable, creando la vorticidad horizontal (rotación sobre un eje horizontal). Esta vorticidad se inclina más tarde a vorticidad vertical (rotación sobre un eje vertical) debido a las corrientes convectivas ascendentes. Por sí sola, esta vorticidad es demasiado débil para explicar los tornados intensos que se pueden llegar a formar. Por tanto, el alargamiento y estrechamiento (stretching) de el débil vórtice vertical por las corrientes convectivas ascendentes es necesario aún para incrementar su vorticidad.

La cuarta teoría y la que están comentando, supongo que será la misma que trata sobre que dentro de las supercélulas unos vientos del SE en superficie y una cizalladura vertical direccional, con un giro a SW ya a unos 1000msnm... La evaporación de la precipitación crea el frente de racha y éste da el impulso hacia arriba encontrando esa "helicidad"... ¿Era así?

Cita de: elwe en Miércoles 21 Noviembre 2012 10:56:26 AM

Cita de: gdvictorm en Miércoles 21 Noviembre 2012 00:48:28 AM
Ojo, la mayoría de los tornados NO supercelulares (Landspouts, por ejemplo), se forman precisamente en ausencia de cizalladura, si es que estáis denominando cizalladura al parámetro que todos conocemos (diferencia de los vectores velocidad del viento en distintas capas). Para la formación de un Tornado NSP precisamente lo que necesitas es una fuerte convección y una débil cizalladura.

Hola victor,
entiendo que te refieres con lo de distintas capas de la vertical, no?. Eso sería la cizalladura vertical. Yo me refería como cizalladura en éste caso a la cizalladura horizontal, que viene a ser lo mismo pero en capas colocadas en horizontal.

Como no se si me explico bien dejo un esquema:

Capas distribuidas      Capas distribuidas
en vertical                  en horizontal
___________               | | | | | | | |
___________               | | | | | | | |
___________               | | | | | | | |
___________               | | | | | | | |
___________               | | | | | | | |

De acuerdo, no os había interpretado bién. La cizalladura horizontal, evidentemente depende de los flujos ascendentes y descendentes de la nube y es causa de vorticidad, la cual puede llegar a originar un landspout en condiciones favorables. Si no me equivoco el tornado que fotografié hace 5 años en Ávila, pudo tener su origen en un vórtice horizontal generado en el área de encuentro de corrientes ascendentes y descendentes, se aprecia claramente que el origen se acerca al límite de la zona de precipitaciones (descendencias) de la nube, y parte de una posición prácticamente horizontal:



Lo mismo sucede con muchos otros tornados NSP, no obstante hay otros casos en los que interviene solo el factor convectivo (como sucede con las tolvaneras, pero a gran escala), normalmente, este mecanismo de formación es muy típico de las mangas marinas en un mar templado.

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Bienvenido Ninguno. Muy interesante la información que aportas y las explicaciones sobre el efecto del tubo dinámico, se agradecen mucho estas intervenciones. Lo único que no me ha cuadrado a mí tampoco ha sido lo del efecto de la rotación de la tierra, puesto que, no suele intervenir en procesos de rotación tan locales.

PD: Para subir un archivo PDF como el que comentas, me temo que solo se puede hacer teniéndolo en una web y enlazándolo. Solo se pueden adjuntar al foro los archivos e imágenes pequeños.


Un saludo.

 Hola, Néstor y gdvictorm. ¡Hay que ver qué rápido va esto! Bueno, ahí va la explicación.

Lo que se propone es que la fuente de vorticidad de las corrientes ascendentes convectivas es la componente vertical de la vorticidad absoluta media del área afectada por la succión. Esta vorticidad absoluta vertical, η, viene dada por

                                                              η=f+ξ .

Los dos términos que integran la vorticidad absoluta vertical en una latitud φ dada son la componente vertical de la vorticidad terrestre,

                                                               f=2Ωsenφ ,

donde Ω es la velocidad angular a la que gira la Tierra, y la componente vertical de la vorticidad relativa,
                                                         ξ=∂v/∂x - ∂u/∂y  ,

donde u y v son las componente horizontales del viento para un observador fijo a la superficie terrestre.

   Supongamos que una tormenta comienza a desarrollarse sobre un terreno circular calentado por el sol y situado en un área más amplia en la que, inicialmente, tanto u como v son nulas. Entonces, no se dispondrá de vorticidad relativa vertical. Supongamos también que u y v no varían con la altitud. Entonces tampoco habrá ninguna posibilidad de que se genere vorticidad vertical a partir de la inclinación de la cizalladura vertical del viento. En este caso, la única fuente de vorticidad presente es la vorticidad terrestre y, por lo tanto, η=f.  No obstante, parece posible que, si la atmósfera es suficientemente inestable, la tormenta adquiera gran intensidad y termine por desarrollarse en ella un tornado. Si las cosas son como hemos supuesto hasta ahora, la formación del tornado se produce por la succión (y el rápido desplazamiento hacia arriba a través del tubo) de un aire que inicialmente ocupaba un área mayor. Cuando este aire converge, su vorticidad aumenta, de la misma forma que un patinador gira más rápidamente cuando junta sus brazos al cuerpo, y si se llega al equilibrio ciclostrófico, termina por girar alrededor de la corriente ascendente con una velocidad tangencial máxima  V que se alcanza para un radio r. La circulación de este viento en superficie alrededor del tornado viene dada por

                                                                   C=2πrV.

Según el teorema de Stokes, la correspondiente vorticidad media en el interior del tornado será

                                                           ξ=C/(πr^2 )=2V/r ,

es decir, la circulación dividida por el área que queda dentro de la línea a lo largo de la cual se calcula la circulación. De esta forma, se llega a la aparición de una intensa vorticidad relativa donde antes sólo estaba presente la débil vorticidad terrestre.

   Para explicar esta transformación hay que recurrir al teorema de Bjerkness, que establece que la circulación absoluta a lo largo de una trayectoria material es invariable aunque dicha trayectoria cambie. Esto quiere decir que el valor de la circulación no cambia aunque sí lo haga el tamaño del área encerrada por la línea a lo largo de la cual se calcula la circulación. Pero como la vorticidad media en esa área es la circulación dividida por la misma área, la vorticidad sí que cambia: crece cuando el área se contrae y disminuye cuando se expande. En nuestro caso, la intensa vorticidad relativa en el núcleo del tornado de radio r procede de la concentración de la vorticidad terrestre inicialmente presente en el área de radio inicial r(i) afectada por la succión. Por lo tanto, resulta que  C=πr(i)^2 f  y, finalmente,

                                               r(i)=(C/πf)^(1/2) .

   Un sencillo cálculo para un tornado típico a 40° de latitud con, por ejemplo, V=60 m/s  y r=100 m , nos da un radio inicial r(i)~11,3 km. Un resultado como este cuadra bastante bien con el tamaño real del área que podría ser afectada por una tormenta unicelular. Este hecho implicaría que no es necesario añadir ninguna cantidad adicional de vorticidad a la vorticidad terrestre para que se produzca un tornado. Evidentemente, si la vorticidad relativa media (la real y/o la que se pudiese obtener de la cizalladura del viento) en el área inicial considerada es positiva, el tornado se podrá producir con una CAPE inferior, ya que el aire que deberá ser absorbido por la tormenta para acumular la misma vorticidad relativa en el tornado ocupará un área más pequeña. Lo contrario ocurrirá cuando el valor medio de la vorticidad vertical relativa es negativo: para producir el mismo tornado se necesitará un área más amplia y, por lo tanto más CAPE. En cualquier caso, parece bastante difícil que la vorticidad anticiclónica media supere a la terrestre en un área tan amplia como es un círculo de unos 11 km de radio. Es por ese motivo que los tornados anticiclónicos son tan escasos.

   Si en esas condiciones de ausencia de vorticidad relativa analizamos lo que pasa en una tolvanera con, por ejemplo, V=5 m/s  y r=1 m , obtenemos un radio inicial r(i)~325 m , tamaño que también parece adecuarse a la realidad. En este caso, el área afectada por la succión es suficientemente pequeña para que la vorticidad media relativa local, ciclónica o anticiclónica, sea muy superior a la pequeña vorticidad terrestre. Por lo tanto, las tolvaneras ciclónicas y anticiclónicas tienen frecuencias prácticamente idénticas.

   Resulta curioso comprobar que esta idea también da buenos resultados en el caso de los ciclones tropicales. Así, el radio del área de la cual hay que recolectar vorticidad terrestre para obtener a 15° de latitud un huracán con vientos máximos de 40 m/s alrededor de un ojo de 50 km de diámetro es de 258 km, algo más de dos grados de latitud, lo cual también parece real. Evidentemente, el área afectada en este caso es demasiado extensa y por eso no hay ciclones tropicales anticiclónicos.

Muy bueno, ninguno.
Tu exposición ilustra perfectamente el concepto. Dependiendo de la configuración del terreno -plano o no- y de las dimensiones del área afectada por convección cobrarà más importacia uno u otro término de   η=f+ξ . Así, en una superficie plana -océano- el mecanismo dominante serà la vorticidad terrestre, mientras que en un ámbito local, muchas veces dominado por la orografía, es más facil que domine la componente de vorticidad residual del 'llenado' previo.
Llevo bastantes años fijandome que en mi zona, una llanura de unos 100 km2 encajonada por montañas, el sentido de rotación de las tolvaneras veraniegas viene dado casi en exclusiva por la dirección del viento nocturno previo. Vamos, algo muy parecido a lo que ocurre cuando llenamos una bañera con agua y luego destapamos el tapón, aunque veamos el agua quieta a la hora de destapar, la vorticidad residual de cuando hemos llenado la bañera -y que depende de la forma precisa en que las paredes de la bañera interaccionan con el chorro de agua- es quien se impone.

De acuerdo con la explicación, Ninguno, me ha parecido muy instructiva. Solo hay una cosa que quería comentar:
Bien es cierto que no es lo mismo un radio efectivo de un tornado formado que el radio de la vorticidad inicial, que puede ser de hasta dos órdenes de magnitud mayor (en este caso bien podemos meter como ejemplo a la gran mayoría de los mesociclones clásicos que acaban desencadenando un tornado), no obstante, cuando hablamos de un tornado supercelular, también tenemos que tener en cuenta la naturaleza de la cizalladura vertical generada y es posible que Coriolis influya más en las características de la atmósfera predecesora a la tormenta que a la propia tormenta y/o tornado resultante. Me explico:

-En el hemisferio norte, las situaciones tormentosas con elevado potencial de formación de supercélulas suelen darse en el flanco ascendente de una depresión o vaguada, a lo largo de una línea de inestabilidad en la que predomina una cizalladura vertical que gira en sentido horario (cizalladura clockwise), por lo que quizá en primera instancia, el sentido de rotación de un tornado supercelular dependería de la rotación de la onda ciclónica que lo ha generado (la cual, con dimensiones de cientos o incluso miles de kilómetros, indudablemente tiene una rotación inducida por el factor de Coriolis), pero en ese caso poco tiene que hacer el potencial de esa desviación de Coriolis aplicada a un radio generalmente inferior a 20km. De hecho, cuando por otros motivos la cizalladura predominante es antihoraria (counterclockwise), las supercélulas generadas (y los tornados resultantes) son de giro anticiclónico.

Con esto no estoy diciendo que en ambientes barotrópicos con condiciones de cizalladura despreciable (caso típico de formación de tornados no supercelulares en zonas de poco relieve) o unidireccional, sea un tornado ciclónico el que tenga más probabilidades de formarse, pero normalmente la rotación suele estar dictada por los patrones sinópticos dominantes que en este caso "sustituyen" a la vorticidad residual que pueda dictar el sentido de rotación, por ejemplo, de un desagüe, aprovechando ese simil.


Saludos. 

Para Vaqueret di Rondó:

Me parece muy interesante y acertada tu idea de que la vorticidad relativa residual después de la interacción entre entre el viento nocturno y el relieve sea lo que determina la dirección de giro de las tolvaneras que se producen al mediodía siguiente.

Con lo que no estoy tan de acuerdo es que sobre una superficie llana sea siempre la vorticidad terrestre la responsable única de estos torbellinos que venimos tratando. De hecho, las trombas marinas que se forman en las inmediaciones de Baleares pueden producirse con una CAPE bastante pequeña a lo largo de líneas de convergencia de viento en superficie. Por eso, la vorticidad relativa que se pueda desarrollar en estas líneas (al fin y al cabo, las unidades de convergencia y de vorticidad son las mismas, s^-1) debe jugar un papel importante para que se desarrollen las trombas. De todas formas, es verdad que estas líneas suelen venir determinadas por la configuración del relieve circundante, como ocurre con la convergencia del Cierzo y la Tramontana, dos vientos orográficos.


Para gdvictorm:

Por supuesto, estoy hablando únicamente de ascensos en condiciones barotrópicas, sin cizalladura vertical, como en las tormentas de masa de aire o en las tolvaneras de mediodía en un buen día de verano. En caso  contrario, no se podría utilizar tan alegremente el terema de Bjerkness y habría que tener en cuenta la cizalladura  vertical, como ocurre en el caso de las supercélulas. Mi intención era sólo dar validez a la idea de que la succión ejercida por una primera masa ascendente parece jugar un papel fundamental en la génesis de esos torbellinos intensos.

De todas formas, aunque es verdad que existen supercélulas anticiclónicas (generalmente el miembro izquierdo (en el hemisferio norte) de un "storm splitting"), no se puede negar que la mayor parte de los tornados son ciclónicos. En algún sitio he leído que sólo hay un 1% de tornados auténticos (no trombas ni "gustnados") anticiclónicos, y cuando yo he visto (en el YouTube, por supuesto) tornados que giraban como las agujas del reloj, eran todos del hemisferio sur.

Se entiende que los tornados puedan tener una tendencia ciclónica (para el HN) debido a la fuerza de coriolis, a pesar de que éstos se expliquen bien según el flujo ciclostrófico. Pero no llego a entender que importancia tiene todo esto para su formación y desarrollo.

Muy buenas ninguno,

me ha parecido muy atractiva e instructiva tu exposición, aunque si no me equivoco estás explicando la creación de vorticidad vertical (o de tornados) clasica via stretching. Es un modelo bastante simple, diría que ya superado. Como problemas tiene que a esas escalas (10 Km) la vorticidad de la tierra a niveles bajos (Coriolis) queda totalmente desfigurada debido a los efectos de capa límite, por lo que creo que no es un modelo del todo válido.

Lo que si que me parece es que debido a su simplicidad es un modelo, como he dicho anteriormente, muy instructivo, y por lo tanto muy bonito y elegante a la hora de formular y calcular. Tal como dices, da una idea del aumento de vorticidad debido a una corriente ascendente.

Citarla vorticidad de la tierra a niveles bajos (Coriolis) queda totalmente desfigurada debido a los efectos de capa límite, por lo que creo que no es un modelo del todo válido.

Perdona Elwe, pero ni tanto ni tampoco. Me refiero a que los tornados son sistemas NO independientes. Estos realmente son... no se si diría bien, como una prolongación de un sistema mesoescalar como lo es una supercélula (un lejano simil sería el rabo de un perro). Con esto quiero decir, que un tornado no puede encajar en una escala que no sea mayor que la que corresponde a la capa límite, ya que es superado totalmente por una supercélula o cualquier tormenta multicelular. Vamos, a no ser que hablemos de torbaneras y algo más...

Hola a todos.

Néstor, el hecho de que los tornados sean habitualmente ciclónicos es lo que permite afirmar que surgen principalmente por succión del aire que rodea a la tormenta, que, en un área tan extensa como es un círculo de unos 12 km de radio, tendrá una vorticidad promedio generalmente positiva (ciclónica) y cercana a la terrestre.

Elwe, es verdad que la vorticidad terrestre queda desfigurada en niveles bajos por los efectos de capa límite, pero es que en este modelo el tornado se desarrolla de arriba (lejos de la capa límite) hacia  abajo, por lo que ya tendrá un sentido de giro predeterminado cuando comience a extenderse hacia superficie. Por otro lado, sigo en mis trece de que la vorticidad absoluta promedio en un área aproximadamente circular y de unos 500 km^2 será generalmente ciclónica, próxima a la terrestre si la vorticidad relativa promedio es anticiclónica y de valor que podrá ser muy superior a la terrestre si la vorticidad relativa promedio es ciclónica. Y eso a pesar de la distorsión asociada a la capa límite.

   Por otra parte, también es verdad que el modelo es  simple y antiguo (ninguna de las dos cosas tiene porqué ser negativa), pero creo que no está superado. Simplemente se han abordado las dificultades de sistemas convectivos más  complejos dando por sabidas cuestiones simples que en absoluto estaban resueltas. Por supuesto, esos intentos, y logros, son útiles y han permitido avanzar mucho, pero no suponen que todo lo anterior esté superado. En el origen de la Meteorología como ciencia hay un montón de buenas ideas que en su momento sólo pudieron aplicarse de forma grosera, debido a la poca potencia de cálculo; esas ideas se siguen utilizando todavía en esa versión grosera cuando actualmente hay medios casi caseros para revisarlas.

gdvictorm, siguiendo tu consejo (gracias) he subido a la red el PDF que tenía preparado. El enlace es este

                       http://es.scribd.com/doc/114124778/Tornados-Meteor-Ed

Saludos

Perdona ninguno si ha sonado grosero lo de que ya está "superado" (y por supuesto eso no es negativo)   Cuando hablava de que era muy instructivo me refería precisamente a lo que dices tú, que es un modelo que luego sirve de base para otros modelos más elaborados, que ya se están desarrollando. Yo no me puse a aprender la teoría  quasigeostrófica hasta que no tuve bien aprendida la teoría geostrófica, por esto decía lo de "superado". Y a decir verdad, al final uso más la geostrófica que la quasigeostrófica para muchas cosas debido a su simplicidad y facilidad de cálculo.

Igualmente a lo que decíamos sobre la vorticidad terrestre, aunque sea por encima de la capa límite (aunque recordemos que un tornado se situa siempre bajo la capa límite por definición) qualquier estructura mesoescalar distorsiona la vorticidad de la tierra. La fuerza de coriolis solo es significativa a gran escala y a tiempos largos, que no son las escalas propias de las estructuras tornádicas. Otra cosa es si dices que la mayor parte de los tornados son ciclonicos porque se forman bajo en estructuras de mayor escala que són inherentemente ciclonicas (y esas si que són mayormente ciclonicas debido a la vorticidad terrestre).

Bueno un abrazo, y lo siento de nuevo si alomejor ha sonado mal lo que quería expresar.