El ciclón de 1886 (Parte II). I- Aspectos dinámicos de los tornados

Por Manuel Mora García, meteorólogo de AEMET.

Antes de analizar los impactos del tornado que asoló las ciudades de Madrid y Guadalajara el 12 de mayo de 1886, y como continuación del capítulo anterior, haremos una breve descripción de los aspectos dinámicos de los tornados y sus efectos. Figura: Tornado en Manitoba (Canadá), Justin1569 at English Wikipedia,CCBY-SA3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5943918

Los tornados, especialmente los más intensos, son fenómenos meteorológicos relativamente poco frecuentes en la Península. Sin embargo, ocurren con mayor frecuencia e intensidad en E.E.U.U, donde han sido ampliamente estudiados, con numerosas publicaciones científicas que continúan siendo la principal fuente de conocimiento sobre este devastador fenómeno atmosférico.

Un tornado es un una columna de aire que gira desde la base de un cumulonimbo hasta el suelo y que suele ser visible como una nube-embudo. En su interior existe un núcleo con un mínimo barométrico y un fuerte gradiente de presión concéntrico, que origina un intenso viento convergente que gira generalmente en sentido antihorario en el hemisferio norte (aunque en un 10 % de tornados los vientos giran en sentido horario). Su intensidad es máxima a unos cuantos metros del centro (en el borde del núcleo) y disminuye gradualmente a partir de ese máximo, que no siempre coincide con la nube-embudo visible. 

Se admite en general una estructura simétrica en el viento generado alrededor del tornado, aunque, a la hora de considerar el viento en un determinado lugar, hay que tener en cuenta la propia dirección y velocidad de traslación del tornado. Sobre un punto determinado dentro de la trayectoria del tornado, el viento va girando y cambiando de intensidad según se desplaza el tornado, ya que el viento asociado al tornado es la resultante de la velocidad de rotación y la de traslación, por lo que hacia la derecha del sentido de traslación del núcleo del tornado el viento es mayor que en el lado izquierdo, como se aprecia en el siguiente gráfico.

Distribución de vientos en un tornado. Fuente: Tornado Protection. Selecting Refuge Areas in Buildings. FEMA P-431, Second Edition / October 2009.

La intensidad del viento aumenta radialmente desde el centro de forma abrupta hasta alcanzar su velocidad máxima a una distancia de unas docenas de metros, incluso hasta unos 200 m, disminuyendo a partir de ahí al alejarnos de forma más suave. El ancho de la zona más afectada oscila entre unas docenas de metros hasta unos 400 m, pero en ocasiones puede llegar a alcanzar más de un kilómetro. La velocidad de traslación del tornado generalmente oscila entre 40 y 60 km/h, pero puede llegar a ser tan lento como 8 km/h y en alguna ocasión tan rápido como 100 km/h. El recorrido medio de los tornados es de unos 8 km, pero se han registrado algunos casos extremos con rastros que se extienden hasta 160 km.

Los daños en las construcciones y objetos a su paso se deben a tres causas:

  • la fuerza directa del viento (presión dinámica)
  • la fluctuación de la presión (diferencia de presión atmosférica)
  • el impacto de los escombros que son arrastrados por el viento.

El intenso flujo de viento que rodea un edificio provoca presiones aerodinámicas que son de sentido contrario (empuje o succión) dependiendo de la geometría del edificio, variando la carga resultante sobre los muros o el techo. Si además existe alguna abertura (ventanas rotas por ejemplo), la presión interior aumenta. Obviamente la buena calidad de la construcción (materiales y estructuras reforzadas) y la ausencia de voladizos, favorecen la integridad del edificio ante la presencia de un tornado.

Aunque en el núcleo del tornado la presión es muy baja, a través de los pequeños orificios de los edificios o como resultado de la rotura de ventanas por los escombros que transporta el viento, la presión interna y externa se equilibran, incluso la presión interna aumenta y, conjuntamente con la succión externa, provocan que la estructura ceda hacia fuera, con resultado similar al de una explosión. Por ello es recomendable mantener cerradas puertas y ventanas, pese a que aún exista la idea equivocada de que hay mantenerlas abiertas para igualar la presión interna y externa.

Efecto del viento en una construcción hermética (arriba) y en otra con aberturas (abajo)

Efecto del viento intenso sobre un edificio y presión ejercida sobre las paredes (imagen izquierda, vista desde arriba) y el techo (imagen derecha, vista lateral). Taking Shelter from the Storm. Building a Safe Room for Your Home or Small Business. Includes Construction Plans. FEMA P-320, Fourth Edition / December 2014

Los intensos vientos son capaces de desplazar a cierta distancia objetos pesados, como vehículos, pero también transportan todo tipo de material ligero o escombros hasta cierta altura a una gran velocidad, por lo que se pueden considerar como proyectiles o misiles, que dañan la estructura de los edificios y todo lo que encuentran a su paso.

Durante la actividad tornádica, también se produce una transferencia de energía hacia el suelo, capaz de generar pequeñas ondas sísmicas, que son percibidas como pequeñas vibraciones del suelo, aunque sin capacidad destructora.

Los daños provocados por los tornados dependen obviamente de la intensidad del viento, pero esta intensidad es difícilmente medible con instrumentos, bien por la inexistencia de una estación meteorológica a su paso, o porque la propia estación resulte dañada o destruida. Por ello, en función de los daños ocasionados, Fujita en 1971 propuso una escala para clasificar los tornados, desde los más débiles (F0) hasta los más intensos (F5).

Sin embargo, los daños ocasionados por un tornado dependen de otros factores, por ejemplo de la calidad de las construcciones. Por ello, desde 2007 se utiliza en EE.UU., y es una referencia internacionalmente conocida, la escala de Fujita mejorada, que incorpora nuevos criterios como resultado de los trabajos de investigación de un grupo de expertos. Se establecen 28 indicadores de daños (Damage Indicator- DI) que pueden observarse en edificios, estructuras y árboles, y para cada uno de ellos, en función del daño ocasionado (Degree of Damage Observed-DOD) se establece un umbral de viento mínimo y otro máximo. https://www.spc.noaa.gov/faq/tornado/ef-ttu.pdf

Escala Fujita mejorada (Enhanced Fujita, EF) de la intensidad de los tornados usada en los EE.UU. y en Canadá, con descripciones breves pero ilustrativas de los daños posibles en cada nivel de intensidad de la escala. Fuente: Módulos COMET. The University Corporation for Atmospheric Research.

Por ejemplo el indicador de daño (DI) número 27, se refiere a árboles robustos como robles, arces, abedules o fresnos. El daño observado está graduado en escala creciente, desde pequeñas ramas (inferiores a 2,5 cm de diámetro) rotas (DOD-1) hasta árboles descortezados con sólo los muñones de las ramas (DOD-5). En el primer caso la racha máxima de viento (en tres segundos) podría oscilar entre 77 y 116 km/h, es decir, podría alcanzar la intensidad EF0. En el segundo caso, la racha podría oscilar entre 198 y 269 km/h, por tanto podría ser un tornado EF2, EF3 ó EF4.

Imagen izquierda: DOD-1, imagen derecha DOD-5. Fuente: https://training.weather.gov/wdtd/courses/EF-scale/

Viento medio y umbral máximo y mínimo para los distintos grados de daño (DOD) en el caso del indicador de daño (DI) número 27: (árboles robustos). Fuente: https://www.spc.noaa.gov/efscale/ef-scale.html

Los tornados más significativos están asociados a la actividad convectiva intensa, producidos por complejas circulaciones e intensas corrientes ascendentes y descendentes en el interior de las nubes del tipo cumulonimbo, siendo un requisito imprescindible para su generación la existencia de cizalladura vertical del viento (cambio en la dirección y/o intensidad del viento en la vertical). Existen dos tipos de tornados, los más conocidos e intensos son los tornados “mesociclónicos”, como los que ocurren en las Grandes Llanuras de Norte América, asociados a las “supercélulas”, cumulonimbos que se caracterizan por presentar una rotación observable en su interior o “mesociclón”.

También existen tornados “no mesociclónicos”, la gran mayoría procedentes de estructuras no supercelulares. Los de este tipo son en general más débiles. Los más frecuentes se denominan “landspouts”, resultado de una rotación previa del aire en superficie que es elevada hacia la nube cumulonimbo. En este grupo se incluyen las trombas marinas (waterspout), que se forman sobre la superficie marina y que pueden no ir ligadas a nubes convectivas.

Estructura de una supercélula en el hemisferio norte.De Kelvinsong – Trabajo propio, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=25260445

Una característica de las tormentas son las rachas de viento en superficie, producidas por las intensas corrientes descendentes. Estos vientos intensos de carácter convectivo, ya sean frentes de racha o reventones (downburst en inglés), en general son de menor intensidad que la provocada por los tornados, pero en algunas ocasiones los efectos de los reventones son similares e incluso más destructivos. Incluso puede ocurrir que una tormenta o un sistema convectivo como una línea de turbonada o un bow echo presenten ambos fenómenos, reventones y tornados casi simultáneamente en cortas distancias.

En España peninsular y Baleares, en el periodo 2003-2012 se registraron 224 tornados o trombas, fundamentalmente de intensidad F0 (71%) y F1 (23%), mientras que un 7% fueron catalogados de intensidad F2 (Riesco et al.,2015). En el periodo 2013-2020 se registraron 280 tornados o trombas marinas en España (SINOBAS). Hay que tener en cuenta que, al tratarse de fenómenos singulares de poca duración y muy locales, y de difícil detección con instrumentos, su registro está condicionado a la presencia de testigos o a la evaluación de los daños a posteriori en los estudios de campo llevados a cabo por expertos.

Tornados/Trombas marinas registrados y validados en SINOBAS (2013-2020). En naranja reportes destacados. https://sinobas.aemet.es/

A diferencia de E.E.U.U., donde los tornados más frecuentes son los mesociclónicos o supercelulares, generalmente más intensos, en España son de menor intensidad y predominan los de tipo landspout/waterspout. Precisamente las trombas marinas son con diferencia los tipos de tornados más frecuentemente observados en España.

Tornado ocurrido el 2 de octubre de 2013 en el límite de las provincias de Valladolid y Palencia, reportado en SINOBAS. https://sinobas.aemet.es/index.php?pag=detal&rep=255

En la primera entrega describimos algunas características del Madrid de finales del siglo XIX, como la tipología de las construcciones o los medios de transporte, que nos servirán para realizar una estimación de los vientos asociados a este episodio. Recordemos que, según el estudio de nuestro compañero Miquel Gayá, se trató de un tornado que en su recorrido osciló entre intensidad F1 y F3 de la escala Fujita original.

En la próxima entrega, que dará inicio a la descripción de los impactos, podremos comprobar cómo a través de las crónicas, los grabados y las fotografías se puede inferir la presencia de un tornado, pero tampoco se puede descartar la ocurrencia de otro tipo de vientos intensos de carácter convectivo en algunos lugares.

Bibliografía:

Gran parte del texto sobre aspectos dinámicos de los tornados procede de la publicación

Tornado Protection Selecting Refuge Areas in Buildings. FEMA P-431, Second Edition / October 2009 https://www.ready.gov/sites/default/files/2020-04/tornado-protection_selecting-refuge-area-in-buildings.pdf

EF-Scale Training. NOAA-NWS. https://training.weather.gov/wdtd/courses/EF-scale/index.php

Breve guía descriptiva de los fenómenos meteorológicos recogidos en el SIstema de NOtificación de OBservaciones Singulares SINOBAS.

Climatología de tornados en la España Peninsular y Baleares. 2015. Riesco et al. http://www.aemet.es/documentos/es/conocermas/recursos_en_linea/publicaciones_y_estudios/publicaciones/Climatologia_tornados/Climatologia_tornados.pdf

Agradecimientos: A Delia Gutiérrez Rubio, por sus comentarios y la revisión de los textos.

Enlace a la primera parte de El ciclón de 1886: https://aemetblog.es/2021/05/12/el-ciclon-de-1886-parte-i/

Acerca de aemetblog

La Agencia Estatal de Meteorología sucedió ya en 2008 a la entonces Dirección General del Instituto Nacional de Meteorología, con más de 150 años de historia. Actualmente está adscrita, según el artículo 4.4 del Real Decreto 864/2018, de 13 de julio, por el que se desarrolla la estructura orgánica básica del Ministerio para la Transición Ecológica, a ese departamento ministerial a través de la Secretaría de Estado de Medio Ambiente. El objeto de AEMET, según el artículo 1.3 del Real Decreto 186/2008, de 8 de febrero por el que se aprueba su Estatuto, es el desarrollo, implantación, y prestación de los servicios meteorológicos de competencia del Estado y el apoyo al ejercicio de otras políticas públicas y actividades privadas, contribuyendo a la seguridad de personas y bienes, y al bienestar y desarrollo sostenible de la sociedad española". Como Servicio Meteorológico Nacional y Autoridad Meteorológica del Estado, el objetivo básico de AEMET es contribuir a la protección de vidas y bienes a través de la adecuada predicción y vigilancia de fenómenos meteorológicos adversos y como soporte a las actividades sociales y económicas en España mediante la prestación de servicios meteorológicos de calidad. Se responsabiliza de la planificación, dirección, desarrollo y coordinación de actividades meteorológicas de cualquier naturaleza en el ámbito estatal, así como la representación de éste en organismos y ámbitos internacionales relacionados con la Meteorología.
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