Toda energía renovable (excepto la maremotriz y la geotérmica), e incluso la energía de los combustibles fósiles, en última instancia proviene del sol. El sol irradia a la tierra 174.423.000.000.000 kWh de energía por hora. En otras palabras, la tierra recibe 1,74 x 1017 vatios de poder.1)
Cerca del 1 a 2 por ciento de la energía proveniente del sol es convertida en energía eólica. Que es de aproximadamente 50 a 100 veces más que la energía convertida en biomasa por todas las plantas de la tierra. 2)
Las diferencias de temperatura producen la circulación del aire
Las regiones alrededor del ecuador, a 0° de latitud, son calentadas por el sol más que el resto del mundo. Estas áreas calientes están indicadas en colores cálidos, rojo, naranja y amarillo en la siguiente imagen infrarroja de la temperatura superficial del mar.
El aire caliente es más ligero que el aire frío y se elevará hacia el cielo hasta que llegue a unos 10 km (6 millas) de altitud y se extenderá hacia el Norte y el Sur. Si el mundo no girara, el aire simplemente llegaría al Polo Norte y el Polo Sur, para posteriormente descender y volver al ecuador.
La fuerza de Coriolis y su efecto en los vientos
Dado que el mundo está girando, cualquier movimiento en el hemisferio norte es desviado hacia la derecha, si se observa desde nuestra propia posición en el suelo. (En el hemisferio sur se desvía a la izquierda). Esta aparente fuerza de curvatura se conoce como la fuerza de Coriolis. (En honor al matemático francés Gustave Gaspard Coriolis 1792-1843).
Puede que no sea obvio que una partícula moviéndose en el hemisferio norte se inclina hacia la derecha.
Considere este cono rojo moviéndose hacia el sur en la dirección de la punta del cono.
La tierra está girando, mientras vemos el espectáculo desde una cámara fija en el espacio exterior. El cono se mueve en línea recta hacia el sur.
A continuación, se muestra la misma imagen con la cámara fija en el globo.
Ahora mire la misma situación desde un punto por encima del Polo Norte. Hemos fijado la cámara, de modo que gira con la tierra.
Mire de cerca, y se dará cuenta de que mientras se mueve el cono rojo está virando en una curva hacia la derecha. La razón por la que no está siguiendo la dirección en la que apunta el cono es, por supuesto, que nosotros como observadores estámos girando junto con el globo.
A continuación, se muestra la misma imagen, con la cámara fija en el espacio exterior, mientras que la tierra gira.
La fuerza de Coriolis es un fenómeno visible. Las vías del ferrocarril se desgastan más rápidamente de un lado que del otro. Los lechos de los ríos se cavan más profundo en un lado que del otro. (De cual lado depende de en qué hemisferio nos encontremos: en el hemisferio norte las partículas sueltas son desviadas hacia la derecha).
En el hemisferio norte el viento tiende a girar hacia la izquierda (visto desde arriba) cuando se acerca a una zona de baja presión. En el hemisferio sur el viento gira en sentido horario alrededor de las áreas de baja presión.
A continuación veremos cómo la fuerza de Coriolis afecta las direcciones de los vientos en el globo.
Cómo la fuerza de Coriolis afecta los vientos globales
El viento sube desde el ecuador y se desplaza hacia el norte y hacia el sur en las capas altas de la atmósfera.
Alrededor de los 30° de latitud en ambos hemisferios la fuerza de Coriolis evita que el aire se mueva mucho más lejos. A esta latitud hay un área de alta presión, ya que el aire comienza descender nuevamente.
A medida que el viento se eleva desde el ecuador habrá un área de baja presión cerca del nivel del suelo atrayendo los vientos del Norte y del Sur.
En los polos, habrá una alta presión debido al enfriamiento del aire.
Teniendo en cuenta la fuerza de flexión de la fuerza de Coriolis, tenemos los siguientes resultados generales de la dirección del viento dominante:
Direcciones dominantes del viento
Latitud |
90-60°N |
60-30°N |
30-0°N |
0-30°S |
30-60°S |
60-90°S |
|---|---|---|---|---|---|---|
Dirección |
NE |
SO |
NE |
SE |
NO |
SE |
La atmósfera tiene sólo 10 km de espesor, es decir, 1/1200 del diámetro del globo. Esa parte de la atmósfera es más precisamente conocida como la troposfera. Aquí es donde se producen todos los fenómenos meteorológicos (incluyendo al efecto invernadero).
Las direcciones dominantes del viento son importantes para ubicar aerogeneradores, ya que obviamente se los quiere colocar en las zonas con menos obstáculos a las direcciones dominantes del viento. La geografía local, sin embargo, puede influir en los resultados generales de la tabla anterior.
El viento geostrófico
La atmósfera (troposfera)
La atmósfera es una capa muy delgada alrededor del mundo. El globo tiene un diámetro de 12.000 km. La troposfera, que se extiende a unos 11 km (36.000 pies) de altitud, es el lugar donde se producen todos los fenómenos meteorológicos y el efecto invernadero. Si el mundo fuera una esfera con un diámetro de 1,2 metros (4 pies), la atmósfera tendía sólo 1 mm (1/25 ") de espesor.
Viento geostrófico
Los vientos que han sido considerados anteriormente como vientos globales son en realidad los vientos geostróficos. Los vientos geostróficos se producen en gran parte por las diferencias de temperatura, y por lo tanto las diferencias de presión, y no están muy influenciados por la superficie de la tierra. El viento geostrófico se encuentra a altitudes por encima de 1000 metros (3300 pies) sobre el nivel del suelo.
La velocidad del viento geostrófico se puede medir utilizando globos sonda.
Vientos superficiales
Los vientos son mucho más influenciables por la superficie terrestre a altitudes de hasta 100 metros. El viento es frenado por la rugosidad de la superficie terrestre y de los obstáculos. Las direcciones del viento cerca de la superficie serán un poco diferentes de la dirección del viento geostrófico debido a la rotación de la tierra (fuerza de Coriolis).
Cuando se trabaja con la energía eólica, nos preocupan los vientos de superficie, y la forma de calcular la energía aprovechable de este viento.
Vientos locales: brisas marinas
Aunque los vientos globales son importantes en la determinación de los vientos dominantes en un área determinada, las condiciones climáticas locales pueden ejercer una influencia en las direcciones de viento más comunes.
Los vientos locales siempre se superponen a los sistemas de viento de mayor escala, es decir, la dirección del viento está influenciada por la suma de los efectos globales y locales. Cuando los vientos a gran escala son suaves, los vientos locales pueden dominar los patrones de viento del lugar.
Brisas marinas
Durante el día las masas de tierra se calientan más rápidamente con el sol que el mar. El aire sube, circula hacia el mar, y crea una baja presión a nivel del suelo que atrae el aire fresco del mar. Esto se conoce como una brisa de mar o brisa marina. Al caer la noche suele haber un período de calma cuando las temperaturas de la tierra y el mar son iguales.
Por la noche el viento sopla en la dirección opuesta. La brisa terrestre nocturna generalmente tiene menores velocidades de viento, debido a que la diferencia de temperatura entre la tierra y el mar es más pequeña durante la noche.
El monzón del sudeste asiático y Oceanía es en realidad una forma a gran escala de brisa marina y brisa de terrestre, que varía en su dirección entre estaciones, debido a que las masas de tierra se calientan o se enfrían más rápidamente que el mar.
Vientos locales: Vientos de montaña
Las regiones montañosas muestran muchos patrones meteorológicos interesantes. Un ejemplo es el viento de valle o brisa de valle que se origina en pendientes orientadas al sur (orientadas al norte en el hemisferio sur). Cuando las pendientes y el aire vecino se calientan la densidad del aire disminuye, y el aire asciende hacia la parte superior siguiendo la superficie de la pendiente. Por la noche la dirección del viento se invierte, y se convierte en un viento cuesta abajo.
Si el fondo del valle está inclinado, el aire puede moverse hacia arriba o abajo del valle, como un viento de cañón.
Los vientos que fluyen por las laderas de sotavento de las montañas puede ser muy poderosos: Ejemplos de ello son el Foehn en los Alpes de Europa, el Chinook en las Montañas Rocallosas y el Zonda en los Andes.
Otros ejemplos de sistemas de vientos locales son el Mistral que fluye por el valle del Ródano, en el Mar Mediterráneo, y el Scirocco, un viento del sur de Sahara que sopla en el mar Mediterráneo.
1) La potencia emitida por el sol en la superficie de la esfera es de 1,37 kW/m2, que tiene al Sol como su centro y el radio promedio de la trayectoria terrestre. La potencia alcanza un disco circular con un área de de 1,27 x 1014 m2. La potencia emitida a la tierra es por tanto 1,74 x 1017W.
2) En promedio, la producción primaria neta de las plantas es de unos 4,95 x 106 calorías por metro cuadrado al año.
Esto es la producción mundial neta, es decir, la cantidad de energía disponible para todos los eslabones posteriores de la cadena de alimentos / energía. El área de la superficie terrestre es de 5.09 x 1014 m2. La potencia de salida neta almacenada por las plantas es 1,91 x 1013W, o 0,011% de la potencia emitida a la Tierra.