¿Cuál es la relación entre la velocidad del sonido y las depresiones meteorológicas?

La cuestión de la relación entre la velocidad del sonido y los sistemas meteorológicos responsables de la lluvia y el sol puede resultar sorprendente. Sin embargo, fue objeto de publicaciones científicas en la primera mitad del siglo XX, destacando una paradoja entre teoría y observaciones. Al menos en apariencia …

Como regla general, la presión atmosférica medida a una altitud determinada corresponde al peso de la columna de aire ubicada sobre el punto de medición. Por razones hidrostáticas, un mapa del campo de presión es, por tanto, equivalente a información sobre la distribución de la masa atmosférica. En consecuencia, las áreas de baja presión a un nivel dado corresponden a un déficit de masa y las áreas de alta presión a un exceso de masa.

Identificación de una aparente contradicción

La observación diaria muestra que los sistemas meteorológicos evolucionan con constantes de tiempo del orden de unos pocos días para su ciclo de vida y de 5 a 10 metros por segundo para su velocidad de movimiento. Por otro lado, el trabajo del matemático Horace Lamb ha demostrado que cualquier perturbación del campo de masas atmosférico normalmente da lugar a una ola que se escapa de la zona perturbada para una velocidad cercana a la del sonido y que dispersa la energía a grandes distancias, dejando atrás un campo de masa que vuelve a su estado original sin perturbaciones.

Los mínimos, máximos y otros frentes atmosféricos son perturbaciones del campo de masa atmosférico. Por lo tanto, deberían moverse a una velocidad comparable a la del sonido y evolucionar, no en unos pocos días como observamos, sino en el espacio de solo una o dos horas. ¿Cómo conciliar estos elementos aparentemente incompatibles?

Un mecanismo de freno vinculado a la trayectoria de los paquetes aéreos.

La teoría de Horace Lamb indica que una perturbación del campo de masas da generalmente nacimiento de una onda que progresa a la velocidad del sonido. Por tanto, los sistemas meteorológicos deben constituir necesariamente un tipo muy especial de perturbación de campo de masa. Este hecho será demostrado por el matemático y geofísico Harold Jeffreys a principios del siglo XX, quien entonces se interesó por el desplazamiento de depresiones (también llamado ciclones).

depresión
Créditos: NASA.

“El ciclón es un tipo de perturbación muy particular en el que la presión, la temperatura y la velocidad se distribuyen de tal manera que la ola que tiende a reajustarse se mueve extremadamente lento”, explica en su artículo. “Otros tipos de perturbaciones se propagan mucho más rápidamente (con velocidades del orden del sonido) y se disipan. Esta es probablemente la razón por la que, entre todas las posibles irregularidades, el ciclón es el más visible, las otras formas se disipan antes de ser observadas ”..

El trabajo de Harold Jeffreys y, más tarde, Charles Priestley y otros muestra que el mecanismo de frenado fundamental proviene de la trayectoria de las partículas de aire. De hecho, tan pronto como el sistema de presión comienza a moverse, el aire ya no sigue exactamente las isobaras (líneas de igual presión) sino que progresa según trayectorias que se desvían de ellas de manera muy apreciable porque el campo de presión ya no es más estacionario.

Son estas diferencias las que ralentizan gravemente la propagación imponiendo una redistribución de masa (por lo tanto de presión) opuesta a la dirección de desplazamiento del sistema. “El mecanismo de freno en el movimiento de los sistemas de presión reside entonces en la distorsión de las trayectorias que el propio movimiento habrá creado”, CHB Priestley concluye en su artículo.

Fuentes: Sobre perturbaciones atmosféricas viajeras, Harold Jeffreys / Cambios de presión atmosférica, CHB Priestley / Sobre oscilaciones atmosféricas, Horace Lamb.