Comprender la fuerza de Coriolis y su papel en la dinámica de la atmósfera y el océano.

La fuerza de Coriolis debida a la rotación de la Tierra es una fuerte restricción al movimiento de la atmósfera y el océano. A pesar de esta importancia, la interpretación física de este efecto sigue siendo un tema difícil. En este artículo, presentamos el mecanismo físico detrás de la desviación de Coriolis. Nos ubicaremos en el hemisferio norte y veremos que este fenómeno no es solo una simple ilusión óptica como a veces podemos escucharlo. Para más información, se invita al lector a consultar los recursos presentados al pie de la página.

La rotación de la Tierra es un factor esencial que explica por qué la dinámica de los fluidos geofísicos es tan poco intuitiva. Cuando se somete a un calentamiento diferencial (temperaturas más altas en los trópicos que en los polos), el océano y la atmósfera comienzan a moverse. Sin embargo, a gran escala, estos fluidos solo tienen una libertad de movimiento limitada. De hecho, inevitablemente sufren las limitaciones resultantes de su pertenencia a una esfera giratoria.

Organización del tráfico general

Estas fuertes limitaciones * explican la presencia de una estructuración muy particular de la circulación atmosférica y oceánica a gran escala. Es decir desde mil kilómetros. Estos incluyen las células de Hadley cuyo límite polar marca el cinturón desértico alrededor de 30 ° N / 30 ° S, la presencia de la corriente en chorro del oeste en latitudes medias, la alternancia de depresiones y anticiclones que la acompañan. O las corrientes oceánicas de los bordes occidentales. como la Corriente del Golfo. En resumen, la circulación atmosférica del mundo tropical está organizada en grandes celdas térmicas mientras que la del mundo extratropical toma la forma de grandes espirales. Este esquema general resulta de un equilibrio muy fino entre la fuerza de presión vinculada al calentamiento diferencial y el efecto Coriolis vinculado a la rotación del globo. Hablamos como talequilibrio cuasi-geostrófico.

Representación esquemática de la circulación atmosférica general. Las organizaciones celulares (tipo de células Hadley, mostradas a la izquierda) dominan la zona intertropical. Las flechas grises indican los vientos alisios. La zona extratropical es, por el contrario, el teatro de complejas organizaciones de vórtices que se mueven de oeste a este. Créditos: Sylvie Malardel / Météo-France.

A pesar de su popularidad, el efecto Coriolis a menudo se presenta de manera ambigua. Específicamente, si bien su derivación matemática es bastante trivial, la interpretación física que requiere es otra olla de pescado. Además, nos daremos cuenta en el resto de este artículo que la desviación de Coriolis asociada con un planeta en rotación no es solo un efecto óptico vinculado al cambio de marco de referencia como a veces escuchamos. Lejos de ahi.

Fuerza de Coriolis y círculo de inercia

El efecto Coriolis se puede resumir simplemente. Cualquier cuerpo sufrirá una desviación hacia la derecha de su movimiento en el hemisferio norte, hacia la izquierda en el hemisferio sur. Esto es esencialmente visible a gran escala y es aún más marcado a medida que el objeto viaja rápidamente y lejos del ecuador. Debe tenerse en cuenta aquí que la desviación eventualmente devolvería los objetos a su posición inicial.

Al hacerlo, si ninguna otra fuerza se opone a la desviación, los elementos describirán aproximadamente círculos. Estos se llaman círculos de inercia. Para una velocidad inicial de 10 m / sa 60 ° de latitud, el radio del círculo ni siquiera llega a los 100 kilómetros. De hecho, los objetos se vuelven como encarcelado parte de su entorno – vea la animación a continuación. En la Tierra, la fuerza de la presión hace que las partículas se muevan más libremente en distancias mucho mayores. Pero no tan fácilmente como si el planeta estuviera estático.

Movimiento de una bola en un dispositivo rotatorio donde solo está presente el efecto Coriolis. La figura de la izquierda muestra la vista de un observador fuera del dispositivo. El de la derecha, la vista de un observador participando en la rotación (como nosotros en la Tierra). Note el círculo de inercia descrito por la bola. Créditos: cleonis.nl.

Para comprender completamente la física de la fuerza de Coriolis, comencemos por estudiar el caso de un objeto en reposo con respecto al suelo. Tomamos el punto de vista absoluto de un observador fijo en relación a las estrellas. Como se muestra en la figura siguiente, la gravitación terrestre y la fuerza centrífuga resultantes de la rotación planetaria equilibrio como gravedad efectiva – también hablamos de gravedad. Apunta perpendicular al suelo y define la vertical local. Debido a este equilibrio, el planeta se ovalizó ligeramente durante su formación. Para estudiar los movimientos horizontales, podemos dividir cada fuerza en componentes horizontales (ver figura a continuación).

fuerza Coriolis
Componentes horizontal (H) y vertical (V) de las fuerzas de gravedad (G) y centrífugas (CN). Nótese la forma ovoide del globo, aquí deliberadamente exagerada. Créditos: Roland B. Stull.

Observemos de paso que en lugar de fuerza centrífuga, deberíamos hablar más bien de inercia del objeto que, sin la presencia de la gravedad, continuaría su movimiento en línea recta, alejándose hasta el infinito. Esta tendencia da la impresión de una fuerza que empuja fuera de la trayectoria. También se puede entender en términos de aceleración centrípeta: el objeto se acelera constantemente hacia el centro de la Tierra. Es por eso que no se desplaza en línea recta hasta el infinito, sino que permanece unido al globo.

Un desequilibrio entre la gravitación y la fuerza centrífuga.

¿Qué sucede si el objeto se anima con un movimiento hacia el este? Mecánicamente, la fuerza centrífuga, su inercia, será mayor y la gravitación, que no ha cambiado, la retendrá con menos eficacia. Por lo tanto, se desplazará al sur de la superficie subyacente (y también hacia arriba, pero la componente vertical del efecto Coriolis no nos interesará en este artículo). Si, por el contrario, el objeto está animado por un movimiento hacia el oeste, la fuerza centrífuga, su inercia, será más débil y la gravedad lo mantendrá más eficaz. Por lo tanto, se desplazará hacia el norte. En ambos casos, la desviación está a la derecha del movimiento en el hemisferio norte.

fuerza Coriolis
Física del efecto Coriolis para el movimiento este (izquierda) y oeste (derecha). Acrónimo notario público ubica el polo norte con la Tierra vista desde arriba. El círculo punteado ubica un círculo de latitud. Una flecha blanca representa el movimiento del objeto en relación con el suelo y una flecha gris y rosa representa su movimiento absoluto. La flecha azul indica la fuerza de gravedad horizontal y la flecha roja indica la fuerza centrífuga horizontal. El desequilibrio entre los dos, debido al movimiento relativo del objeto, da como resultado una desviación hacia el sur (izquierda) o hacia el norte (derecha). Este es el efecto Coriolis (flecha verde). Créditos: Roland B. Stull.

El razonamiento se vuelve más complicado para los movimientos en dirección norte-sur. Sin embargo, todavía se aferra a laaparición de un desequilibrio entre la inercia del objeto y la gravitación terrestre. Si el objeto se mueve hacia el norte, su trayectoria en el marco de referencia absoluto formará un arco que se cruza con los paralelos; consulte la ilustración a continuación. Además, la dirección de la fuerza centrífuga cambia de modo que la gravedad se reequilibra por una desviación hacia el este. Para un movimiento hacia el sur, el cambio en la orientación de la fuerza centrífuga requerirá una desviación hacia el oeste. Aquí nuevamente, esto último se hace sistemáticamente a la derecha del movimiento en el hemisferio norte. Los movimientos reales son el resultado de los componentes norte-sur y este-oeste de la fuerza de Coriolis.

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Física del efecto Coriolis para un movimiento hacia el norte. Acrónimo notario público indica el polo norte. La leyenda de las flechas es la misma que en la figura anterior. El desequilibrio entre las fuerzas, debido al movimiento relativo del objeto, da lugar a una desviación hacia el sur. Créditos: Roland B. Stull.

De la mala interpretación de la fuerza de Coriolis

Por tanto, se entiende que la fuerza de Coriolis no es un simple efecto óptico o una manipulación matemática resultante del cambio de marco de referencia. La gravitación, es decir, una fuerza real, interviene en su dinámica. Además, se puede demostrar que la velocidad absoluta de los objetos no se mantiene. Un hecho que hace obsoleta la explicación popular de los vientos alisios que quisieran que las manchas de aire se aceleraran hacia el oeste porque llegan a latitudes donde la rotación de la Tierra es más rápida. Este razonamiento no solo da valores de viento poco realistas, sino que es físicamente incorrecto. De hecho, la variación latitudinal de la velocidad de rotación, mayor en el ecuador que cerca de los polos, no entra en juego en el proceso. Y no faltan ejemplos de este tipo. No hace falta decir que Las explicaciones inadecuadas impiden cualquier comprensión detallada de la dinámica de la atmósfera y el océano..

Uno puede preguntarse entonces por qué tantos libros continúan promocionándolos. Probablemente por razones históricas, pero también por la persistencia de una mala interpretación del efecto Coriolis como detalla Anders Persson, experto en la materia en SMHI, en numerosos artículos.

Finalmente, terminemos mencionando que el ejemplo del carrusel o el tocadiscos, a menudo presentado para dar una visión general de la fuerza de Coriolis, es muy engañoso. De hecho, lo que observamos en estos experimentos es principalmente el resultado de la fuerza centrífuga. Y por una buena razón, el objeto se aleja rápidamente hacia el exterior mientras describe una espiral ampliada. Una instalación adecuada que permitiera visualizar correctamente el efecto Coriolis mostraría, por el contrario, un movimiento localizado y casi circular, no siendo otro que el círculo de inercia descrito anteriormente en este artículo. Por lo tanto, aunque su autor descubrió y comprendió el efecto Coriolis hace casi 200 años, es evidente que todavía hay margen de mejora para garantizar una comprensión detallada y compartida. En última instancia, el estudio de la dinámica atmosférica y oceánica se volverá aún más claro.

* La estratificación de la atmósfera, estable a gran escala, también es importante, pero no es el tema de este artículo..

Fuentes : ¿Cómo entendemos la fuerza de Coriolis ?, Boletín de la Sociedad Meteorológica Estadounidense / ¿Es el efecto Coriolis una ‘ilusión óptica’ ?, Revista trimestral de la Real Sociedad Meteorológica / Meteorología para científicos e ingenieros, Roland B. Stull / Movimientos atmosféricos, Enciclopedia of Global Environmental Change / Un enfoque intuitivo del efecto Coriolis, Kristian Silver.