En otro post comenté sobre qué afectaciones le causan los fenómenos meteorológicos a la aviación. Veamos con más detalle cuáles son estos fenómenos. Comencemos hablando de lo que es más obvio: las aeronaves vuelan dentro de la atmósfera y dependen completamente de ella para generar las fuerzas aerodinámicas que sostienen y regulan el vuelo. Por otra parte, los aviones se mueven gracias a sus motores, los cuales necesitan el aire de la atmósfera para su combustión interna y con esto generar el empuje. Es obvio pues, que la aviación se vea fuertemente afectada por el estado de la atmósfera. Sígame y le explico con un poco más de detalle seis «villanos» que molestan a la aviación.
Los procesos que ocurren en la atmósfera dan origen a los fenómenos meteorológicos y estos son muy diversos en cuanto a su origen, naturaleza física, escalas espaciales y temporales, e intensidad. Desde el punto de vista de los efectos en la aviación, los factores meteorológicos pueden clasificarse en cinco grupos diferentes: (i) factores que involucran el movimiento físico del aire (cizalladura, turbulencia, frentes de rachas); ii) factores hidrometeorológicos (lluvia, nieve, granizo, niebla, neblina); (iii) factores que inducen y facilitan la formación de hielo en las superficies de las aeronaves (engelamiento); (iv) factores que causan baja visibilidad (niebla, neblina, nubes bajas); y (5) factores que involucran la electricidad atmosférica (rayos). Hay toneladas de libros explicando estos (y otros) fenómenos en toda su variedad y complejidad, yo solo daré una breve reseña de algunos de ellos tipificados en seis casos.
1. La cizalladura del viento
La cizalladura (en inglés wind shear) es el cambio en la dirección y/o la intensidad del viento en un plano, y en una distancia corta. Este es un fenómeno muy complejo, que se manifiesta en tres dimensiones. A mí me costó mucho trabajo entender todas las variantes de la cizalladura del viento que pueden afectar a un avión. En un post aparte les compartiré mis notas sobre el tema de la cizalladura. La cizalladura se produce cuando capas de aire adyacentes tienen una acusada diferencia entre sus velocidades respectivas. La cizalladura puede ser vertical, horizontal, o ambas, o ser debida a cambios en la componente vertical del viento (corrientes ascendentes o descendentes). La cizalladura puede presentarse en todos los niveles de la atmósfera; pero se considera que es un peligro crítico para la aviación por debajo de 2000 pies (609.6 metros), en distancias horizontales de 1 a 2 km, con intensidad suficiente para afectar a las operaciones de despegue y aterrizaje de manera significativa. A esto es a lo que se le llama LLWS, siglas en inglés de Low Level Wind Shear. El caso de cizalladura que más afecta a los aviones es la cizalladura horizontal en la misma dirección de vuelo. Los vientos cruzados no son especialmente importantes; pero la cizalladura en los vientos cruzados sí que resulta muy peligrosa en el momento de tocar tierra. La cizalladura es el segundo mayor culpable de accidentes debido a fenómenos meteorológicos. La cizalladura generalmente crea turbulencia. La cizalladura puede ser inducida por diferentes fenómenos meteorológicos como son las tormentas, las aeroavalanchas, los frentes de racha, los frentes fríos o calientes, las inversiones de temperatura y otros.
2. La turbulencia
La turbulencia en la atmósfera se produce cuando hay movimientos aleatorios del aire que se superponen al viento medio, dando lugar a remolinos que viajan en el flujo. La turbulencia, según su intensidad, la fase de vuelo y el porte de la aeronave puede causar malestar a los pasajeros o incluso peligro para el aterrizaje. Los remolinos turbulentos tienen dimensiones que van desde centenares de kilómetros hasta centímetros. El flujo turbulento evoluciona desde grandes remolinos con mucha energía turbulenta hasta pequeños remolinos, donde finalmente la turbulencia se disipa. Para la aviación, la turbulencia se define como toda variación de la intensidad y/o dirección del viento que genera aceleraciones verticales u horizontales que pueden modificar los parámetros de vuelo. Las aeronaves son afectadas por remolinos cuya escala es del orden de la envergadura del avión, es decir, del orden de 100 m, pero esta escala no se resuelve en los modelos de predicción numérica. La turbulencia puede generarse por causas mecánicas (obstáculos en la superficie) o por causas térmicas. Aunque la turbulencia y la cizalladura se tratan como dos fenómenos diferentes, en realidad ambos forman parte de un todo que es el movimiento del aire en diferentes escalas. Existe la llamada turbulencia en aire claro (Clear Air Turbulence, en inglés) que afectan el vuelo en ruta (crucero) de las aeronaves. En las operaciones de despegue y aterrizaje las grandes aeronaves generan tras sí vórtices turbulentos (vórtices de estela) que pueden afectar a aeronaves más pequeñas. Obviamente, al igual que la cizalladura, la turbulencia tiene su origen en las tormentas, las aeroavalanchas, los frentes de racha, los frentes fríos o calientes, las inversiones de temperatura y otros.
3. La lluvia
La lluvia es el más visible indicador de que hay mal tiempo y es un problema en las fases de despegue y aterrizaje a lo largo de la pendiente de descenso (glide slope). La lluvia ligera y moderada no suele ser un problema para las grandes aeronaves que vuelan por instrumentos; pero sí lo es para las aeronaves pequeñas que vuelan por Reglas de Vuelo Visual. Sin embargo, la lluvia intensa sí constituye un problema para cualquier tipo de aeronave. Aparte del problema de reducir la visibilidad y del problema de que sobre la pista mojada los aviones resbalan y les cuesta más trabajo frenar, que suelen ser problemas menores, hay otro mayor ocasionado por la lluvia: y es que en la lluvia intensa hay mucha agua y poco aire en la atmósfera. Esto afecta gravemente a la combustión de los motores causando pérdida de empuje. En casos extremos, el exceso de agua líquida puede causar que el motor se apague totalmente y generar un accidente. La lluvia intensa también puede causar una disminución significativa en el rendimiento de la aeronave al aumentar la rugosidad aerodinámica de las superficies de las alas, reduciendo con esto la sustentación generada por el ala y aumentando su resistencia al avance. En las tormentas eléctricas, el granizo suele coexistir con lluvias intensas y turbulencias. Cuando las piedras de granizo se introducen en los motores del avión junto con la lluvia líquida, se producen dos tipos distintos de efectos peligrosos. Primero, contribuye aún más a la combustión irregular (al igual que el agua líquida), aumentando la posibilidad de apagado de la llama y consiguiente pérdida de empuje; pero, además, la entrada de granizo al motor y su colisión con los componentes internos del mismo pueden dañar partes delicadas como las aspas del ventilador y del compresor, que giran a altas velocidades con espacios muy pequeños entre sus partes. Así pues, ¡ojo! el granizo está bien arriba en el listado de los villanos con los cuales el avión no debe confraternizar.
4. La niebla, la neblina y las nubes bajas
Un gran número de vuelos de aeronaves se realizan bajo las reglas de vuelo visual (VFR, por sus siglas en inglés). El vuelo visual está condicionado a la existencia de condiciones de visibilidad clara. Además, todas las aeronaves dependen en gran medida de información visual durante las operaciones en áreas terminales, como aproximaciones, aterrizajes, rodajes y maniobras en la plataforma. Por lo tanto, una visibilidad adecuada es esencial para esta fase de las operaciones de vuelo de todas las aeronaves. En términos de seguridad, un estudio temprano (1964) llevó a la sorprendente observación de que los accidentes de aeronaves ocurren aproximadamente 30 veces más a menudo en condiciones de visibilidad marginal que en condiciones de buena visibilidad. Aunque los avances en la instrumentación pueden haber mejorado la situación desde ese estudio, el potencial de peligro para la aviación debido a una visibilidad inadecuada sigue siendo muy alto. La baja visibilidad puede ser causada por diversos fenómenos. A mayores altitudes de vuelo, la causa más frecuente de baja visibilidad es la presencia de nubes. Las nubes de diferentes tipos se encuentran en distintas bandas de altura, algunas de las cuales pueden superponerse. Las alturas de las nubes también dependen de la latitud y las condiciones locales. Desde el punto de vista de la aviación, un parámetro muy importante es la base de las nubes, que es la superficie inferior de una columna de nubes. Dado que los vuelos bajo reglas de vuelo visual (VFR) deben mantener una distancia específica de las nubes, una reducción en la altura de la base de las nubes restringe severamente el espacio aéreo disponible para estos vuelos. Cuando la base de las nubes desciende a unos pocos cientos de pies, interfiere seriamente con las operaciones de aterrizaje de aeronaves, incluso con ayudas instrumentales. A nivel del suelo, el factor más frecuente que reduce la visibilidad es la niebla (niebla es micropartículas de agua en suspensión que reduce la visibilidad a 1 km o menos y neblina es la que reduce la visibilidad entre 1 km y no más de 5 km), que es esencialmente una masa de nubes en contacto con el suelo. La niebla degrada la eficiencia de los aterrizajes, despegues y movimientos terrestres de las aeronaves, reduce la capacidad de gestión del tráfico en los aeropuertos y es la causa más frecuente de retrasos en vuelos durante la temporada de invierno en muchos aeropuertos ubicados en latitudes altas. La baja visibilidad en las áreas de las terminales es una fuente común de retrasos, interrupciones y accidentes de vuelo. Estas condiciones ocurren con frecuencia en muchas partes del mundo.
5. El engelamiento
Dado que las altitudes operativas de las aeronaves cubren un intervalo de altura considerable, que típicamente se extiende hasta ~13 km para aviones subsónicos de pasajeros y de transporte, y significativamente más alto para aeronaves supersónicas, la mayoría de los aviones encuentran temperaturas de congelación durante alguna parte de sus operaciones. La altitud a la que la temperatura de la atmósfera es igual al punto de congelación del agua en las condiciones locales se denomina altitud de congelación. La altitud de congelación generalmente disminuye con el aumento de la latitud y varía cíclicamente a lo largo del año según las estaciones, alcanzando niveles tan bajos como el nivel del suelo en invierno en las latitudes más altas. Bajo ciertas condiciones atmosféricas, mencionadas a continuación, las temperaturas de congelación pueden causar la formación de hielo y su acumulación en las partes expuestas del avión, especialmente en los bordes de ataque de las alas y en los estabilizadores verticales y horizontales. La acumulación de hielo en las superficies aerodinámicas del avión altera la forma de los perfiles aerodinámicos y aumenta su rugosidad. Esto provoca una perturbación en el flujo aerodinámico alrededor de los perfiles, lo que conduce a una pérdida de sustentación, un aumento de la resistencia al avance e incluso puede afectar la estabilidad de la aeronave. La severidad de la formación de hielo en las aeronaves depende de manera compleja de una variedad de factores. Estos incluyen la temperatura, el contenido de agua líquida, la distribución del tamaño de las gotas de las nubes, el nivel de turbulencia atmosférica y la fase del agua en el aire ambiente. El efecto general de la formación de hielo en el rendimiento de la aeronave depende de la gravedad del hielo acumulado y de su distribución sobre las partes sensibles del avión (alas, estabilizadores y superficies de control), así como del tipo de aeronave y de las condiciones de vuelo. Las condiciones de vuelo incluyen la velocidad, altitud, tasa de ascenso/descenso, ángulo de ataque y la carga alar. Una condición ambiental considerada particularmente propicia para la formación de hielo en aeronaves es la presencia de gotas de agua sobreenfriadas. Bajo ciertas condiciones, especialmente en ausencia de núcleos de condensación, el agua líquida puede existir en la atmósfera en estado sobreenfriado, es decir, a temperaturas por debajo del punto de congelación local. El agua sobreenfriada puede congelarse inmediatamente al entrar en contacto con la superficie del avión o con capas de hielo preexistentes, a través de la conversión de su calor sensible negativo (con respecto a la temperatura de congelación) en calor latente de solidificación. Esto facilita la formación y acumulación de hielo al minimizar la necesidad de eliminación de calor. El rango de temperaturas atmosféricas entre -10 °C y 0 °C es particularmente favorable para la acumulación de hielo en las aeronaves, aunque temperaturas algo más bajas también pueden favorecer la formación significativa de hielo. Sin embargo, a temperaturas mucho más frías, una proporción progresivamente mayor de las gotas de las nubes se convierte en hielo y no se adhiere fácilmente a la superficie del avión al impactar. Se ha descubierto que los riesgos más graves de formación de hielo en aeronaves ocurren en presencia de gotas de agua líquida superenfriada y que las gotas más grandes generan depósitos de hielo más rápidamente en las superficies del avión. Las gotas con diámetros en el rango de 30 a 400 µm se han identificado como especialmente propicias para la formación de hielo en aeronaves. En resumen, las condiciones meteorológicas importantes que facilitan la formación de hielo en aeronaves pueden enumerarse como sigue: Temperaturas en la cima de las nubes en el rango de 0 a -20 °C. Gotas de agua líquida grandes, con diámetros superiores a ~50 µm. Movimiento ascendente débil del aire vertical, que repone el suministro de agua superenfriada. Masas de nubes gruesas y extensas. Es posible estimar el potencial de formación de hielo en el aire ambiente mediante la instalación de instrumentos adecuados en las aeronaves. Al detectar la entrada en una zona con alto potencial de formación de hielo, la aeronave puede realizar las maniobras necesarias (por ejemplo, cambiar de altitud) para salir de la zona antes de que se formen depósitos significativos de hielo. El potencial de formación de hielo en un lugar determinado puede inferirse a partir de tres mediciones básicas de las condiciones ambientales: la temperatura, el contenido de agua líquida y el diámetro medio volumétrico (MVD) de la población de gotas.
6. Las descargas atmosféricas
Bajo ciertas condiciones, especialmente aquellas asociadas con tormentas eléctricas, las regiones de la atmósfera albergan partículas de agua cargadas eléctricamente y gradientes significativos de potencial de campo eléctrico. La manifestación más visible de la actividad eléctrica atmosférica ocurre en forma de relámpagos, que implican la creación de canales ionizados a través de la atmósfera y la conducción de fuertes corrientes eléctricas a través de estos canales. La electricidad atmosférica es una fuente potente de peligros para las aeronaves en vuelo. Las aeronaves que atraviesan regiones de nubes fuertemente cargadas y campos eléctricos intensos pueden encontrar rayos que ocurren de forma natural en esas regiones. También se ha postulado que las aeronaves mismas pueden desencadenar la ocurrencia de rayos en ciertas tormentas eléctricas. El efecto de un rayo en una aeronave es causar fuertes corrientes eléctricas transitorias en la superficie de la aeronave y en los miembros estructurales, así como a través de los circuitos eléctricos y electrónicos a bordo de la misma. Esto último puede resultar en fallos, posibles apagones e incluso daños permanentes a los instrumentos a bordo, computadoras y sistemas de control de vuelo. Explosiones debido a la ignición de mezclas de combustible y aire. Además, los fuertes rayos pueden causar daños físicos en las estructuras de las aeronaves. También se han producido accidentes fatales menos publicitados en aeronaves militares debido a rayos. Otros efectos directos dañinos de los rayos en las aeronaves incluyen la picadura, la quema y la deformación magnética. Aunque los efectos peligrosos de los rayos en la aviación son reales y variados, la frecuencia de accidentes graves y fallos de equipos debido a rayos no es alarmante para la generación actual de aeronaves. Sin embargo, dos tendencias no relacionadas en la ingeniería aeronáutica tienen el potencial de cambiar esta situación cómoda. La primera de ellas es el uso creciente de materiales compuestos no metálicos en la construcción de aviones. Tales materiales están siendo favorecidos por los diseñadores de aviones debido a sus ventajas en las relaciones de resistencia a peso y rigidez a peso. En el caso de las aeronaves militares, los materiales no metálicos tienen la ventaja adicional de ofrecer baja reflectividad al radar, reduciendo en gran medida la capacidad de los radares enemigos para detectarlas. Sin embargo, la construcción convencional de aeronaves completamente metálicas es ventajosa desde el punto de vista de los rayos debido al apantallamiento electromagnético que proporciona a las personas y circuitos ubicados en el interior de la aeronave. La segunda línea de desarrollo en la aeronáutica que preocupa en el contexto de los rayos es el uso creciente de la electrónica digital para realizar funciones críticas de vuelo, como el control del vuelo e incluso el mantenimiento de la estabilidad básica de la aeronave. Los sistemas digitales que se están utilizando en las aeronaves modernas y futuristas son inherentemente menos robustos y tolerantes a los transitorios eléctricos inducidos por rayos que los circuitos analógicos convencionales y los controles mecánicos e hidráulicos. El campo eléctrico inducido dentro de la aeronave, en particular su tasa de cambio, es responsable de inducir aumentos de voltaje y corriente en los circuitos electrónicos y eléctricos alojados en la aeronave. Se descubrió que el valor máximo de la tasa de cambio de la densidad del flujo eléctrico registrado puede superar los 100 A/m². Estos valores elevados se han medido en la parte delantera del fuselaje de la aeronave, que es la zona que normalmente alberga la mayoría de los circuitos sensibles que controlan las funciones de la aeronave. La duración temporal de los campos electromagnéticos generados debido a los rayos en las estructuras de las aeronaves puede ser del orden de un segundo o más. Así que ojo con los rayos.
Este tema para mí resultó interesante por la necesidad de detectar estos efectos para evitar accidentes, y uno de los medios para esto es el uso de los radares meteorológicos, pero como decía Scherezada, esa historia la terminamos otro día. Tal vez a mis lectores les pueda interesar otros posts:
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