CORIOLIS Y FENÓMENOS METEOROLÓGICOS
PEDAGOGÍA EN FÍSICA
PUCV
Coriolis y fenómenos meteorológicos
Autores: Bayron Tobar, Javiera Mondaca, Rubén Cárcamo
Resumen
En el presente documento se presenta, define y describe el efecto Coriolis. Dando una
mirada hacia su descubrimiento, modelamientos matemáticos y sus aplicaciones.
Además, se relacionará con el clima del planeta Tierra para la explicación de algunos
fenómenos meteorológicos.
Introducción
En el siguiente documento se estudiarán diversos fenómenos meteorológicos bajo la
mirada de la mecánica de fluidos, realizando un especial énfasis en uno que ha
despertado gran interés debido a su amplia utilización en la cultura popular como lo es
el efecto Coriolis, y cómo este ha aportado en muchos vértices del desarrollo humano.
El estudio de la mecánica de fluidos ha sido un camino de larga data, pasando por
Arquímedes en la antigua Grecia, siguiendo por el Renacimiento de la mano de Da
Vinci, Mariotte, Boyle, Newton, llegando al siglo XVIII con Bernoulli, Euler, D’alembert,
Lagrange y Laplace (Turmero, 2015), pero no fue hasta el siglo XIX en donde la
hidrodinámica tomo un rol fundamental para el desarrollo industrial (Persson, 1998),
generando un sinfín de estudios relacionados a las aplicaciones prácticas de los fluidos,
y es aquí donde el científico francés Gaspard Gustave de Coriolis (1792-1843) describe
por primera vez uno de los conceptos más importantes para la meteorología, el Efecto
Coriolis, descubriendo que las masas de aire y las corrientes marinas describen un
movimiento circular respecto a la rotación de la tierra.
El estudio de estos fenómenos meteorológicos ha traído grandes avances, como
predecir la dispersión de los contaminantes en la atmósfera, calcular el efecto
invernadero y predecir el clima (Smits, 2004), y el efecto Coriolis ayuda sobre todo al
desarrollo y mejoramiento de los vuelos comerciales y de los cohetes. Los científicos
logran predecir y adecuar sus trayectorias. Incluso algo más popular, como responder
la gran pregunta, ¿El agua gira para lados diferentes en cada hemisferio? (Aguas
Cordobesas, 2021), la cual ha sido de gran provecho turístico para Ecuador y la mitad
del mundo.
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Análisis Teórico
Para comenzar a comprender el estudio meteorológico por medio de la mecánica de
fluidos debemos primeramente conocer y entender sus componentes y procesos. Como
se adelantaba en la introducción, los flujos atmosféricos son primordiales a la hora de
predecir aspectos fundamentales para el desarrollo humano, que a priori parecen
simples como lo puede ser predecir el clima, pero que están cargados de complejos
procesos físicos.
La atmosfera está compuesta de distintas capas, pero para fines prácticos nos
centraremos en la más cercana a la tierra, la troposfera. La temperatura de esta capa
es indirectamente proporcional a la altura de esta, es decir, la temperatura disminuye
linealmente con la altura, y la pendiente de esta curva recibe el nombre de rapidez de
descenso, la cual varia con el tiempo y la posición. Por encima de los 20.1 km sobre el
nivel del mar, la temperatura aumenta gradualmente respecto a la altura, esto es
debido a que el ozono absorbe la radiación solar, y gracias a esto la vida en la tierra se
ve protegida de los catastróficos efectos de los rayos ultravioleta.
Otra característica importante de la troposfera es su masa, la cual representa entre el
80% y el 85% de la masa total de toda la atmosfera, y además de esto posee toda el
agua presente en la atmosfera, por lo que no es de extrañar que los estudios para la
predicción del clima estén centrados en esta capa.
Ahora bien, podemos considerar a la atmosfera, la tierra y el sol como un sistema
dinámico muy grande, en donde el sol calienta el aire de la atmosfera dando lugar a
gradientes de presión horizontales y que por consiguiente producen movimientos
atmosféricos horizontales. Se pueden evidenciar diferencias de temperatura entre la
atmósfera de los polos y del ecuador, y entre la atmósfera de los continentes y los
océanos, estas diferencias pueden causar movimientos atmosféricos de gran escala.
Naturalmente los flujos de aire siguen la dirección del gradiente de presión, es decir,
desde las regiones de mayor presionas hacia las regiones de presiones más bajas, sin
embargo, la rotación del planeta afecta estos movimientos en la escala de los grandes
patrones climáticos, siendo esto el efecto Coriolis.
El efecto Coriolis es un fenómeno que se ve cuando el sistema de referencia se
encuentra en un cuerpo en movimiento rotatorio y hay un objeto llevando a cabo un
movimiento. Esta ilusión óptica se ve en la vida cotidiana constantemente, debido a
que vivimos en una casi esfera que está constantemente rotando. Comúnmente se
puede ver que cuando estamos en objetos rotando. Por ejemplo, si estuviera un grupo
de amigos en un parque de diversiones rotando en un juego (Ilustración 1) y uno lanza
una pelota a la persona que tiene al frente este último no la recibirá.
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La pelota sufrirá una desviación aparente en su trayectoria debido a la rotación del
juego (Ilustración 2).
Ilustración 1: sistema compuesto por 2 personas y un balón. El plano rotatorio en el
que se encuentran está girando en sentido horario. (National Geographic, 2014)
En este sencillo experimento es posible apreciar los
efectos de la fuerza de Coriolis. Una de las
características más importantes de este fenómeno es
que la trayectoria es ficticia ya que solo la persona quién
lanzó la pelota y su amigo logra visualizarla. Desde
afuera se puede apreciar que el balón tomó la
trayectoria recta esperada (Ilustración 3).
Ilustración 3: muestra el
sistema de la "ilustración 1"
pero instantes más tarde
cuando la pelota está a
punto de salir del plano
rotatorio. (National
Geographic, 2014)
Ilustración 2: Se observa el resultado del
experimento, con la trayectoria aparente y la
trayectoria real que llevó a cabo el balón. (National
Geographic, 2014)
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Es muy importante tener en cuenta que en este ejemplo la rotación está siendo en
sentido horario, por lo que la trayectoria aparente parece ser una recta desviada hacia
la izquierda, si el juego estuviera girando en sentido antihorario, la pelota caería hacia
la derecha. Esto es el efecto Coriolis, un cambio en la trayectoria aparente del
movimiento de un objeto gracias al movimiento rotatorio. Este mismo principio aplica
para las esferas que rotan, como el planeta Tierra.
Gracias a la rotación constante de la Tierra es que podemos ver a Coriolis en diferentes
fenómenos meteorológicos a macroescala. Es esta fuerza la que hace que las
corrientes oceánicas vayan hacia la izquierda en el hemisferio sur y hacia la derecha en
el norte. Lo mismo sucede con las corrientes de viento, donde en el hemisferio norte
se ve que los vientos soplan en sentido antihorario en zonas de baja presión, y horario
en sectores con alta presión. Que es totalmente contrario a lo que sucede en el
hemisferio sur, y es justo por esto que los ciclones y huracanes giran hacia diferentes
sentidos dependiendo del paralelo en el que uno se encuentre (Prado, 2018).
Los ciclones son fuertes vientos acompañados de tormentas, estos se forman en
lugares con baja presión (la presión atmosférica está por debajo del aire que circula),
ya que esto atrae masas de aire atmosférico con mayor presión. Se forman cuando la
superficie marítima está a alta temperatura, producto de ello el aire cálido y húmedo
asciende a las nubes, provocando tormentas. Estas nubes forman círculos grandes que
giran sobre si mismos, formando vientos muy fuertes dejando un espacio en el centro,
conocido como el ojo del huracán.
Además, al tener una forma de esfera, sabemos que la velocidad en los polos es menor
a la de la parte más ancha que es el ecuador y rota desde ese a oeste. Gracias a la
diferencia de velocidad en los distintos lugares del planeta es que podemos apreciar las
desviaciones de los vientos y mares. Pero se debe introducir una variable más al
problema, el radio. Como se explicó en el mismo párrafo, los lugares ubicados en
menores radios giran más rápido que el ecuador (radio máximo). Es por esto mismo
que cuando una partícula está viajando hacia el norte, se estará acercando a el eje de
rotación y a los polos. Si consideramos que no hay fricción, la cantidad de movimiento
angular se debe conservar, por lo que el fluido adquiere una mayor velocidad angular y
termina desviándose hacia la derecha (Smits, 2004)
Cabe destacar que, si la Tierra no realizara el movimiento de rotación, los vientos
seguirían moviéndose respecto a las diferencias de presión del planeta. La fuerza de
Coriolis no hace que las masas de fluido se muevan, sino que solo hace que se desvíen
de su trayectoria predispuesta.
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La aceleración que un objeto moviéndose en el planeta Tierra, o en cualquier otro
sistema rotatorio, toma gracias a este fenómeno se expresa como
𝑎𝑐 = 2𝜔 ∙ 𝑣 ∙ 𝑠𝑖𝑛(𝜑)
Donde 𝑎𝑐 es la aceleración de Coriolis que experimentará el objeto, 𝜔 es la velocidad
angular del planeta Tierra, 𝑣 es la velocidad lineal del objeto, que puede ser por
ejemplo una masa de aire. 𝑠𝑖𝑛(𝜑) es el seno de la latitud en la Tierra. Las unidades
resultantes de la aceleración de Coriolis son metros divididos en segundos al cuadrado.
La ecuación nos dice que una partícula posicionada en el ecuador con una velocidad 𝑣
tendrá una aceleración de Coriolis equivalente a cero. Ya que el seno de la latitud será
cero. Por lo que se concluye que la aceleración de Coriolis es máxima en los polos y
mínima en el ecuador (Lambert, 2021). Así mismo con la Fuerza de Coriolis, que puede
ser, a grandes rasgos, definida como 𝐹 = 𝑚𝑎, así llegamos a la misma conclusión que
en la aceleración. Máxima en los polos, mínima en el ecuador.
Mientras tanto, la fuerza de Coriolis se define como
𝐹𝑐 = −2𝑚(𝜔 × 𝑣)
Donde 𝐹𝑐 es la fuerza de Coriolis, 𝑚 es la masa del cuerpo en movimiento, 𝜔 es la
velocidad angular del objeto en rotación y 𝑣 es la velocidad lineal del cuerpo que no
está rotando. Cabe destacar que la multiplicación entre la velocidad angular y
tangencial es vectorial.
Ejemplos y aplicaciones
El estudio meteorológico por medio de la mecánica de fluidos nos deja aplicaciones
muy útiles para nuestra cotidianeidad, como por ejemplo en la predicción del clima, el
cual está determinado por el estado del tiempo promedio en un lugar dado en cierta
época del año (Smits, 2004), logrando así predecir la fecha segura para plantar
cultivos, por ejemplo, o también predecir el clima del día siguiente respecto a ciertas
condiciones atmosféricas dadas en una localidad cercana.
También hablando en términos de la convección de la troposfera, generalmente el aire
es estable y la convección no sucede a gran escala (Smits, 2004), pero cuando esto no
es así podemos encontrarnos con una atmosfera inestable, el ambiente propicio para
los truenos de las tormentas, la formación de cúmulos de nubes y las tormentas
eléctricas, logrando igualmente predecir estos fenómenos meteorológicos.
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Por otro lado, las aplicaciones del efecto Coriolis suelen ser más en objetos en
movimiento que se desplazan en la atmosfera, como por ejemplo cuando los cohetes
despegan del planeta, deben hacerlo con cierta inclinación para poder aumentar su
velocidad horizontal y poder quedar rotando en torno a la Tierra sin tener que activar
los propulsores de nuevo. Cuando salen del planeta deben tener en cuenta el efecto
Coriolis en la trayectoria de estos. Es por esto que la mayoría despegan desde bases
cercanas al ecuador. Gracias a esto el lanzamiento es más efectivo, sin desviaciones,
ya que la aceleración en este punto equivale a cero, por lo que no afectaría la
trayectoria del cohete.
Otra aplicación se carácter armamentista es cuando los francotiradores disparan a
largas distancias, deben tener en cuenta dónde están los puntos cardinales y el efecto
de Coriolis para lograr dar en el blanco limpiamente. El récord Guinness al disparo
mortal más lejano fue efectuado por Craig Harrison en 2009. Esto ocurrió en
Afganistán (latitud 32,4 grados norte) a una distancia de 2.475 metros y la velocidad
inicial de las balas fue 936 m/s. El caso de Harrison es característico del efecto Coriolis
ya que debió tener en cuenta esta fuerza ficticia para poder dar en el blanco. La bala
se desvió 49,3 cm por esta causa. Casi por medio metro (Quirantes, 2016)
Conclusión
Una de las características más sorprendentes del efecto Coriolis es que está presente
en todos los lugares y que muchas veces pasa desapercibido, pero es un fenómeno
que no se puede dejar de lado cuando se habla de mecánica de fluidos y mecánica en
general. Este efecto es un gran motor de las corrientes de aire y marinas en la Tierra y
las consecuencias en el clima que esta aceleración genera son gigantes, desde desviar
una bala para un francotirador hasta los huracanes más grandes del planeta. En
cuanto a su uso, con las ecuaciones de Coriolis se pueden predecir los ángulos con los
que cohetes deben salir de la atmósfera para que estos lanzamientos sean lo más
eficientes posibles. Pero, así como afecta a grandes escalas, también lo podemos
encontrar en situaciones más triviales, en nuestro día a día, como cuando lanzas algo
dentro de un juego de carrusel e incluso cuando vas al baño y el agua del inodoro se
descarga en sentido horario o antihorario. Sin duda el efecto Coriolis es un fenómeno
sorprendente además de entregar herramientas útiles en el desarrollo de nuevas
tecnologías. Aunque para la mayoría es un término desconocido, para nosotros, hoy,
es algo sumamente importante que da respuesta a situaciones cotidianas de la vida.
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Bibliografía
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