Ingeniería Marítima I

Luís Aragonés PomaresIsabel López Úbeda

M. Esther Gómez-MartínM. Auxiliadora Jordá Guijarro

Sara García HernándezJosé Antón Sempere

La presente edición ha sido revisada atendiendo a las normas vigentes de nuestra lengua, recogidas por la Real Academia Española en el Diccionario de la lengua española (2014), Ortografía de la lengua española (2010), Nueva gramática de la lengua española (2009) y Diccionario panhispánico de dudas (2005).

Ingeniería Marítima I

© Luis Aragonés Pomares Isabel López Úbeda

ISBN: 978-84-16966-47-9Depósito legal: A 285-2017

Edita: Editorial Club Universitario Telf.: 96 567 61 33C/ Decano, n.º 4 – 03690 San Vicente (Alicante)www.ecu.fmecu@ecu.fm

Printed in SpainImprime: Imprenta Gamma Telf.: 96 567 19 87C/ Cottolengo, n.º 25 – 03690 San Vicente (Alicante)www.gamma.fmgamma@gamma.fm

Reservados todos los derechos. Ni la totalidad ni parte de este libro puede reproducirse o transmitirse por ningún procedimiento electrónico o mecánico, incluyendo fotocopia, grabación magnética o cualquier almacenamiento de información o sistema de reproducción, sin permiso previo y por escrito de los titulares del Copyright.

Índice

Capítulo 1. Clima marítimo ........................................................................ 91. Descripción de los agentes climáticos .................................................. 9

1.1. La atmósfera ................................................................................ 91.2. Presiones y temperaturas ............................................................111.3. Vientos ........................................................................................111.4. El oleaje y su energía ................................................................. 141.5. Variaciones del nivel del mar ..................................................... 161.6. Corrientes marinas ..................................................................... 17

2. Viento y presión atmosférica en la superficie del mar ........................ 182.1. Presiones y temperaturas ........................................................... 182.2. Circulación atmosférica ............................................................. 192.3. Previsión del oleaje .................................................................... 30

Capítulo 2. ondas en el mar ..................................................................... 351. Tipos de ondas en el mar .................................................................... 352. Fuentes de datos ................................................................................. 36

2.1. Fuentes de datos visuales ........................................................... 362.2. Fuentes de datos instrumentales ................................................ 373. Teorías del oleaje .......................................................................... 383.1. Teorías lineales .......................................................................... 393.2. Teorías no lineales ..................................................................... 423.3. Aproximaciones estadísticas ...................................................... 443.4. Aproximaciones espectrales ...................................................... 54

4. Clasificación de las zonas en las que se propaga el oleaje ................. 625. Asomeramiento, refracción y difracción (aguas intermedias) ............ 63

5.1. Asomeramiento (shoaling) ......................................................... 635.2. Refracción .................................................................................. 695.3. Difracción .................................................................................. 755.4. Rotura del oleaje ........................................................................ 785.5. Reflexión .................................................................................... 85

6. Fenómeno de propagación inversa ..................................................... 866.1. Caracterización de la obra: período de retorno .......................... 86

Capítulo 3. FunCión y morFología de las obras marítimas ................... 911. Programa ROM .................................................................................. 932. Condiciones generales de los puertos ................................................. 94

2.1. Zonas de influencia del puerto ................................................... 942.2. Obras de abrigo. Clasificación ................................................... 952.3. Planta de los diques. Características .......................................... 962.4. Estructura de los diques. Características ................................... 99

3. Obras de abrigo, diques de escollera o rompeolas ........................... 1033.1. Clasificación y tipos................................................................. 1063.2. Proceso constructivo de un dique en talud .............................. 1073.3. Averías en un dique en talud .................................................... 1213.4. Inconvenientes y ventajas ........................................................ 1213.5. Comportamiento hidráulico ..................................................... 1233.6. Estabilidad de los Diques de Escollera .................................... 1243.7. Características del Macizo ....................................................... 1253.8. Prediseño de un Dique en Talud .............................................. 126

4. Diques Verticales .............................................................................. 1284.1. Tipos y Características ............................................................. 1304.2. Ventajas e Inconvenientes ........................................................ 1334.3. Perfil Tipo ................................................................................ 1344.4. Proceso Constructivo ............................................................... 1344.5. Modos de Fallo ........................................................................ 162

5. Otros Tipos de Diques ...................................................................... 1665.1. Encauzamientos y Espigones ................................................... 1665.2. Diques Neumáticos e Hidráulicos ........................................... 1665.3. Diques Flotantes ...................................................................... 1665.4. Diques Discontinuos ................................................................ 1675.5. Diques sobre apoyos aislados .................................................. 1675.6. Pantalanes, Obras Flotantes y Obras de Defensa .................... 167

Capítulo 4. dragas y dragados .............................................................. 1691. Clasificación y Características ......................................................... 169

1.1. Clasificación ............................................................................ 1691.2. Características del Dragado ..................................................... 1701.3. Condiciones del Emplazamiento de la Obra ............................ 1701.4. Características del Material de Dragado .................................. 1711.5. Posibilidades del Transporte y Vaciadero ................................ 171

2. Clases y Tipos de Dragas ................................................................. 1712.1. Material de Extracción ............................................................. 172

2.2. Forma de Trabajo ..................................................................... 1722.3. Elección en función del material ............................................. 185

3. Elementos de transporte ................................................................... 1863.1. Gánguiles, tuberías y otros ...................................................... 1863.2. Elementos auxiliares ................................................................ 187

4. Organización, rendimiento y control ................................................ 1885. Costos y precios ............................................................................... 188

Capítulo 5. diseño de diques ................................................................... 1911. Diques en talud ................................................................................. 191

1.1. Introducción ............................................................................. 1911.2. Acción del oleaje ..................................................................... 1921.3. Diseño del manto principal: estabilidad hidráulica ................. 1931.4. Diseño del núcleo y filtro ......................................................... 2041.5. Diseño de la berma de pie ........................................................ 2051.6. Prediseño del espaldón ............................................................ 207

2. Diques verticales .............................................................................. 2072.1. Acciones del oleaje .................................................................. 2082.2. Goda (1975) ............................................................................. 2092.3. Goda (1985) ..............................................................................2112.4. Takahashi (1992-94) ................................................................ 2122.5. Estabilidad del dique ............................................................... 2142.6. Método de Negro, Varela y Palacios (1995) ............................ 2152.7. Proverbs, Mast III, Oumeraci (1998), McConnell (1998) ....... 216

Capítulo 6. Costas ................................................................................... 2191. Línea de costa ................................................................................... 2192. Ley de Costas ................................................................................... 220

2.1. Dominio público marítimo-terrestre (DPMT) ......................... 2202.2. Servidumbres ........................................................................... 221

3. Morfología costera ........................................................................... 2233.1. Formas costeras ....................................................................... 223

4. Dinámica litoral ................................................................................ 2294.1. Sedimentos............................................................................... 2304.2. Transporte de sedimentos ........................................................ 2354.3. Corrientes................................................................................. 244

5. Balance sedimentario y estabilidad de la costa ................................ 2485.1. Forma en planta ....................................................................... 2495.2. Perfil......................................................................................... 254

6. Defensa y Regeneración Costera ...................................................... 2606.1. Obras de Regeneración ............................................................ 2616.2. Alimentación artificial ............................................................. 270

Capítulo 7. planiFiCaCión y gestión litoral ......................................... 2731. Aspectos ambientales ....................................................................... 273

1.1. Legislación de la Unión Europea ............................................. 2731.2. Legislación española ................................................................ 274

2. Evaluación del impacto ambiental (EIA) ......................................... 2743. Flora submarina ................................................................................ 277

3.1. Posidonia oceanica .................................................................. 2774. Calidad del agua. Directiva europea ................................................ 2795. Reparación de zonas dunares ........................................................... 280

5.1. Sistemas de protección ............................................................ 2815.2. Sistemas de regeneración ......................................................... 283

reFerenCias ............................................................................................... 2851. Artículos, congresos y libros ............................................................ 2852. Páginas web ...................................................................................... 293

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Capítulo 1. Clima marítimo

La costa marítima se ve afectada por una serie de agentes climáticos que actúan sobre el medio marino, siendo estos de muy distinta clase. El estudio de estos fenómenos nos va a permitir el mejor conocimiento del oleaje que afecta a las costas y, de este modo, poder tener una correcta planificación en la ingeniería marítima.

Los principales agentes marinos que afectan al oleaje y, por consecuencia, a las costas son:

• La atmósfera• Presiones y temperaturas• Vientos• El oleaje• Variaciones del nivel del mar• Corrientes marinasSin embargo, se considera al viento como el factor principal del oleaje.

El viento se genera como consecuencia del desigual calentamiento que el Sol produce en la superficie terrestre. Este, al actuar sobre el agua del mar, le transmite energía y la pone en movimiento, produciendo ondulaciones en las capas superficiales, lo que constituye el oleaje que observamos en las aguas de los océanos y mares y que posteriormente golpea las costas de los conti-nentes.

1. desCripCión de los agentes ClimátiCos

1.1. la atmósFera

La atmósfera es la capa gaseosa que envuelve la Tierra y es ella la que hace posible que la Tierra sea habitable, ya que bloquea los rayos peligrosos procedentes del Sol, evitando que lleguen a tierra y nos sean dañinos. Ade-más, tiene la función de atrapar el calor, permitiendo que la Tierra tenga una temperatura agradable para la vida en ella.

Los principales componentes de la atmósfera son el nitrógeno molecular N2 (con un 78 % en volumen) y oxígeno molecular O2 (con un 21 % en volu-men). El vapor de agua (H2O), el dióxido de carbono (CO2) y otros elementos gaseosos de menor concentración ocupan el 1 % restante.

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Figura 1. Composición de la atmósfera.

La atmósfera está dividida en varias capas, donde cada una de ellas cum-ple una misión determinada. Las diferentes capas ordenadas de abajo hacia arriba se llaman: troposfera, estratosfera, mesosfera y termosfera. La mayoría de los fenómenos meteorológicos (vientos, lluvias, cambios de temperatu-ra…) se producen en la capa llamada troposfera.

Figura 2. Estructura en capas con detalle de presión y altitud, y evolución de la temperatura con la altitud.

El estudio de la atmósfera es importante porque nos facilita información climatológica sobre el viento, el cual es uno de los elementos más decisivos sobre el oleaje.

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1.2. presiones y temperaturas

La presión atmosférica es la presión ejercida por el aire en cualquier punto de la atmósfera. Podemos calcular la variación de la presión con la altitud si se dan condiciones hidrostáticas, siendo la presión atmosférica para una alti-tud de 0 m de 1 atm.

1 atm = 760 mm Hg = 1014 mb (milibar) = 1033 g/cm2

1 mb = 1 HPa (donde Pa = N/m2)

La representación de las presiones atmosféricas se realiza por medio de curvas de nivel de igual presión o isobaras (Figura 3).

Figura 3. Mapa de isobaras (Agencia Estatal de Meteorología - AEMET).

1.3. Vientos

El viento se produce por cualquier agitación de las moléculas que consti-tuyen el aire que forma la atmósfera. Las causas son muchas y muy diversas, choque entre ellas, variaciones de presión, temperatura…

En el aspecto que en la ingeniería de costas nos afecta, vemos que la ac-ción del viento sobre la superficie del mar da lugar a que, por transferencia, la energía del aire pase al agua del mar, generándose de estas formas ondas, el oleaje, y diversas corrientes marinas.

1.3.1. Tipos de vientoEn primer lugar, los vientos regulares pueden ser:• Vientos constantes: son aquellos que en un mismo punto de la costa

soplan en la misma dirección (vientos alisios, contralisios y polares).• Vientos periódicos: son aquellos que soplan regularmente durante un

período de tiempo determinado (vientos monzones y brisas).

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Por otro lado, los vientos variables son aquellos que no tienen regulari-dad (ciclones tropicales, tornados o trombas locales).

Figura 4. Esquema de los tipos de viento.

1.3.2. Fuerzas que intervienen en su composiciónLas fuerzas intervinientes en la formación del viento son las siguientes:• Fuerza de presión: relacionada con el gradiente de presión en la zona

donde sopla. Esta fuerza es perpendicular a las isobaras, orientada de las altas a las bajas presiones y a la izquierda del viento.

• Fuerza de Coriolis: fuerza que aparece como consecuencia de la pro-pia rotación de la Tierra. Es perpendicular al movimiento y tiende a oponerse a la fuerza de presión.

• Fuerza centrífuga: fuerza que viene determinada por la curvatura de la isobara.

• Fricción superficial: se trata de un coeficiente que afecta al viento, y que depende de la velocidad del viento y la fuerza de Coriolis.

• Gradiente isobárico: consecuencia de la difluencia de las isobaras que pueden alternar el valor del viento geostrófico.

• Cizalladura horizontal del viento geostrófico: provoca una distor-sión angular de la dirección del viento. El cambio de dirección (αo) respecto a la dirección del viento de gradiente puede estimarse me-diante la Ecuación 1.

α 𝐶𝐶 (1)

Siendo Cg el coeficiente geostrófico de arrastre, el cual se calcula como:

𝐶𝐶 𝑉𝑉𝑔𝑔𝑟𝑟𝑓𝑓 𝑍𝑍𝑜𝑜

(2)

Donde Zo es un coeficiente dependiente de la superficie que se obtiene de la Tabla 1.

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Tabla 1. Valores aproximados de Zo, Zg, Cg, CD y β en función del tipo genérico de superficie (Tabla 2.1.2.2.1 de la ROM 0.4 – 95).

TABLA 2.1.2.2.1. VALORES APROXIMADOS DE zo, zg, Cg, CD Y β EN FUNCIÓN DEL TIPO GENÉRICO DE SUPERFICIE

TIPO DE SUPERFICIEzo

(m)

Zg

(m)103·Cg 103·CD β

I. Mar abierto y campo abierto llano sin obstácu-los (p. ej., zonas costeras llanas, desiertos…). 0.001 – 0.01 200 0.7 – 1.2 1.9 – 3.4 0.12

II. Mar con un oleaje muy fuerte y campo abierto, llano u ondulado, con obstáculos dispersos (p. ej., praderas, páramos…).

0.01 – 0.3 300 1.2 – 2.2 3.4 – 13 0.16

III. Superficies boscosas, campo con obstáculos abundantes y pequeñas zonas urbanas (obstá-culos con alturas entre 9 y 15 m).

0.3 – 1.0 400 2.2 – 2.8 13 – 30 0.28

IV. Superficies con grandes y frecuentes obstácu-los, y grandes ciudades. 1.0 – 5.0 500 2.8 – 3.5 30 – 300 0.40

1.3.3. Perfil de la atmósferaEl perfil de la atmósfera se encuentra dividido en tres capas: atmósfera

libre (donde se da el viento geostrófico o bárico), capa de Ekman o de transi-ción y capa límite superficial, debido a la alteración del viento al aproximarse la superficie del mar.

Figura 5. Viento en la capa límite planetaria. Isobaras rectas, hemisferio norte. Y perfil vertical de módulos del vector velocidad media del viento (Figuras 2.1.2.1 y 2.1.2.2.1 de la

ROM 0.4 – 95).

1.3.4. Tipos de datos de vientoEl viento se puede caracterizar con tres tipos de datos:• Velocidades y direcciones de viento deducidas del gradiente de pre-

sión superficial: son datos obtenidos teóricamente a partir del mapa isobárico de superficie y una serie de modelos matemáticos.

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• Observaciones visuales del viento: son observaciones visuales del viento recogidas por marinos observando las distintas intensidades y direcciones del viento.

• Registros de viento medidos mediantes equipos: son datos obtenidos a partir de estaciones meteorológicas en tierra.

1.4. el oleaje y su energía

El origen del oleaje se debe a todos los tipos de oscilaciones periódicas que se producen en la superficie del mar. Las olas son la consecuencia directa de diversos factores, como son el viento, la fuerza gravitacional lunar, los ma-remotos, tormentas… De todas ellas se destaca el viento, ya que es el primer agente generador de olas con mayor frecuencia y densidad energética.

El diferente calentamiento que el Sol produce en la Tierra hace que se generen distintas temperaturas que permiten que el viento se desplace de un lugar a otro. Y este, al actuar sobre la superficie del mar, le transmite su ener-gía y pone en movimiento las olas, generándose las ondulaciones de las capas superficiales del mar, y que terminan cuando chocan contra la superficie te-rrestre, disipándose en estas toda la energía que el viento les había transmiti-do. Como vemos, podemos afirmar que las olas son una fuente de almacena-miento de energía en los océanos, y que su origen se debe a la energía solar.

La iteración entre el viento y la superficie del mar es un proceso com-plejo, pero que podríamos simplificar como que el viento soplando entra en contacto con el mar, modificando la superficie del océano, debido a la fuerza que se genera al entrar en contacto las moléculas del mar y del viento. Este hecho produce unos pequeños rizos conocidos como olas de capilaridad, que dan lugar a mayor superficie de contacto, y de este modo, incrementado la fricción entre el agua y el viento y, consecuentemente, incrementando la ola.

A continuación, veamos qué parámetros nos permiten caracterizar una ola:

Tabla 2. Principales parámetros de un movimiento ondulatorio.

PARÁMETRO SÍMBOLO DEFINICIÓNAltura de ola H Distancia vertical entre un seno y una cresta sucesivosAmplitud A Máxima desviación desde el nivel medioLongitud de onda L ó 𝜆 Distancia horizontal entre dos crestas sucesivas

Período T Tiempo que tardan dos crestas sucesivas en pasar por el mismo punto

Frecuencia 𝑓𝑓 𝑇𝑇 Número de crestas que pasan cada segundo por un punto fijo

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Figura 6. Parámetros característicos de una onda.

Otros parámetros importantes de definición son:

Tabla 3. Otros parámetros.

El tamaño de las olas generadas por un campo de viento depende de tres factores:

• La velocidad del viento.• El tiempo durante el cual este está soplando.• La distancia o alcance sobre la cual la energía del viento se transfiere

al océano para formar las olas.Realmente, en el océano no solo hay ondas senoidales puras, como se ha

representado en la Figura 6, sino que se trata de una superposición de muchas de ellas, cuya superficie puede ser reconstruida como suma de ondas de am-plitud variable, llamada análisis espectral.

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1.5. VariaCiones del niVel del mar

El mar no tiene un nivel estático, sino que es perceptible de fluctuaciones y cambios en su nivel, cuyo origen se detalla en este apartado. Los tipos de variaciones del nivel del mar son:

1.5.1. Mareas astronómicasEstas son causadas por la fuerza de atracción de la Luna y del Sol en me-

nor medida (el efecto de atracción del Sol es 2.73 menor que el de la Luna), en combinación con el movimiento de rotación de la Tierra. Esta marea se manifiesta en forma de una onda, de marea que se propaga a lo largo de la superficie mareal terrestre.

Los parámetros que definen las mareas astronómicas son:• Marea: movimiento vertical de subida y bajada del nivel del agua.• Corriente de marea: movimiento horizontal del agua.• Pleamar: máximo nivel de la marea.• Bajamar: mínimo nivel de la marea.Las mareas se pueden clasificar en 3 tipos:• Mareas semidiurnas: son aquellas que producen dos pleamares y dos

bajamares casi iguales en el transcurso de un día solar. • Mareas diurnas: se producen en aquellos lugares donde tienen una

mayor importancia las ondas diurnas, caracterizadas por producirse en un día solar una pleamar y una bajamar.

• Mareas mixtas: es un tipo mixto de las dos mareas anteriores, pudien-do tener formas distintas.

1.5.2. Ondas largas, resacas o seichesSi se cumplen unas determinadas condiciones, en áreas abrigadas de la

costa, tales como puertos o bahías, se pueden producir ciertas oscilaciones estacionarias de período largo que se conocen como resacas.

Estas ondas estacionarias en zonas cerradas o refugiadas pueden producir variaciones bruscas intermitentes de la presión atmosférica o la velocidad del viento, o incluso pueden producir una brusca disminución o aumento del nivel del agua.

Este fenómeno oscilatorio se produce generalmente por la combinación de las fuerzas exteriores y por la configuración y dimensiones del área abrigada.

1.5.3. Sobreelevaciones debidas al oleajeLas sobreelevaciones debidas al oleaje se producen principalmente cuan-

do en una playa incide el oleaje, donde el agua, tras romper, se eleva por la

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pendiente hasta una determinada altura por la fuerza que tenía, para poste-riormente deslizar pendiente abajo. Allí encontrará otra lámina de agua pro-cedente de la siguiente rotura de ola y que, consecuentemente, frenará su trayectoria descendente, pasando a formar parte de la nueva ola que sube de nuevo por la pendiente.

Este fenómeno de subida y bajada en las playas da lugar a una sobreeleva-ción del nivel del mar, tanto más acusada cuanto más impetuoso sea el oleaje, mayor altura de ola y energía.

1.5.4. Mareas meteorológicasSe trata de las sobreelevaciones del nivel del mar causadas por cambios

bruscos de la presión atmosférica o vientos de temporal. La importancia de estos fenómenos radica en que provocan subidas y bajadas anormales en el nivel del mar, que suelen estar acompañadas por un temporal.

Distinguimos dos tipos de mareas meteorológicas:• Mareas meteorológicas de presión: son aquellas variaciones del ni-

vel del mar provocadas por un gradiente de la presión atmosférica, debido a que en la zona de altas presiones se crea una depresión del nivel del mar y en la zona de bajas presiones se produce una elevación.

• Mareas meteorológicas de viento: son aquellas variaciones del nivel del mar que se producen como consecuencia de una acción continua-da del viento sobre la superficie del mar. Generalmente, cuando esta acción es importante como consecuencia, por ejemplo, de una tormen-ta, suele llevar también una importante presión atmosférica sobre la superficie del mar, por lo que las mareas meteorológicas de viento no aparecen como fenómeno climático aislado.

1.6. Corrientes marinas

Las corrientes marinas se producen en el mar como consecuencia de la interacción entre la masa líquida de agua con otros agentes. Estas corrientes, y especialmente en las proximidades de las costas, van relacionadas con el agente que las produce, y es por este motivo que generalmente no se estudian como un fenómeno aislado, sino que se estudian con el agente que las incen-tiva.

Se trata de movimientos de masa de agua que se trasladan dentro de la misma masa de agua. Se caracterizan por no tener periodicidad y su alta sen-sibilidad a los cambios de otros agentes climáticos ya estudiados con anterio-ridad, pudiendo variar rápidamente su dirección y velocidad.

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2. Viento y presión atmosFériCa en la superFiCie del mar

2.1. presiones y temperaturas

La presión atmosférica o barométrica es la presión que el aire ejerce sobre la superficie de la tierra. La presión en un punto de la superficie coincide con el peso de una columna de aire estática, que se extiende desde la superficie hasta el límite superior de la atmósfera. Como la densidad del aire disminuye conforme aumenta la altura, no se puede calcular ese peso, a no ser que co-nozcamos la variación de la densidad del aire en función de la altitud.

La temperatura atmosférica es un indicador de la cantidad de energía ca-lorífica acumulada en el aire. Aunque existen otras escalas para otros usos, la temperatura del aire se suele medir en grados centígrados (°C) y, para ello, se usa un instrumento llamado termómetro.

Figura 7. Evolución de la presión y la temperatura en función de la altitud.

2.1.1. Medida de la presión atmosféricaEl instrumento usado para medir la presión atmosférica es el barómetro.

Debido a que la presión atmosférica se debe al peso del aire sobre un cierto punto de la superficie terrestre, cuanto más alto está el punto, menor es la pre-sión, ya que también es menor la cantidad de aire que hay encima.

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2.1.2. Variaciones de la presión: causas y distribuciónLas variaciones de presión vienen influenciadas o causadas principalmen-

te por los siguientes parámetros: la altura sobre el nivel del mar, la tempe-ratura y la humedad relativa del aire. Las diferencias de presión causan los gradientes, con los que se generan movimientos de las masas de aire.

Las variaciones de presión se representan en cartas de presiones, y se uti-lizan las isohipsas y las mencionadas isobaras. Las isobaras son curvas que definen zonas de igual nivel de presión, y las isohipsas representan superficies equipotenciales (altura sobre el nivel del mar a la cual la presión es la misma).

La presión para una determinada altura es función de: la temperatura y la situación atmosférica que varía con las perturbaciones: ciclones (bajas presio-nes) y anticiclones (zonas de altas presiones).

Las borrascas o centros de bajas presiones (ciclones): la presión decrece hacia el interior de la borrasca y el giro es hacia la izquierda (B).

Los anticiclones o centros de altas presiones se caracterizan por zonas de altas presiones, donde aumenta la presión hacia las isobaras interiores y tie-nen giro hacia la derecha (A).

Estos giros de los diferentes fenómenos junto con los gradientes de tempe-ratura y humedad definen los vientos, y estos, a su vez, caracterizan el oleaje.

Figura 8. Sentido del gradiente de presión en ciclones y anticiclones.

2.2. CirCulaCión atmosFériCa

2.2.1. Cinturones de presión y viento en el planeta El calentamiento que produce el Sol en la Tierra es de forma irregular.

Estos cambios de temperatura son los que generan los vientos. El aire pesa y, por lo tanto, genera una cierta presión sobre el terreno, siendo máxima a nivel del mar y se va reduciendo con la altura. El proceso por el que se produce el viento es el siguiente: el aire, al aumentar su temperatura, disminuye su den-sidad, por lo que asciende, deja un vacío que es ocupado por aire de mayor densidad, lo cual da origen al viento.

Las zonas donde se produce el ascenso de masas de aire son zonas de bajas presiones, mientras que las zonas donde desciende son zonas de altas presiones.

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En general, la distribución de presiones y vientos a lo largo del planeta podría esquematizarse:

• Altas presiones en los polos y trópicos• Bajas presiones en la zona ecuatorial y subpolar• Vientos que divergen en las zonas de alta presión• Vientos que convergen en las zonas de baja presiónConsiderando la Tierra como un ente inmóvil, el planteamiento sería sen-

cillo, pero la realidad es que rota sobre sí misma, provocando una desviación sobre la trayectoria de los vientos; como consecuencia, se produce el deno-minado efecto Coriolis, cuyo sentido es horario para el hemisferio norte y antihorario para el hemisferio sur.

A continuación, trataremos de representar a rasgos generales el efecto Co-riolis (Figura 9c). En el supuesto de que el aire inicia su movimiento desde el punto A al B, el punto de llegada en el paralelo B será AC, debido a que AA’ = BC, siendo C un punto al Este de B’. Como se observa, el movimiento libre inicial ha sufrido una cierta desviación hacia la derecha.

Figura 9. a) Circulación del aire. b) Efecto Coriolis. c) Descripción del efecto Coriolis.

2.2.2. Clases de vientosVientos en la atmósfera libre: viento geostrófico y viento bárico o de

gradienteComo se ha comentado anteriormente, los efectos de contorno van disminu-

yendo conforme nos acercamos a la atmósfera libre. En ella, se pueden conside-rar estos como despreciables frente a otras fuerzas como las fuerzas inerciales (F Coriolis y F centrífuga) y las fuerzas del gradiente de presiones. En dicha zona, el viento es prácticamente laminar e independiente de la altura y constante.

El hombre siempre busca simplificaciones que le permitan analizar la na-turaleza. En la atmósfera libre, la fuerza de gradiente de presión (P) y la fuer-za de Coriolis (C) se equilibran y son de sentido opuesto, quedando, por lo tanto, un viento horizontal, paralelo a las isobaras y constante llamado viento geostrófico. Este viento se da cuando las isobaras son rectilíneas.

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En el hemisferio norte, las bajas presiones quedan a la izquierda del senti-do del movimiento, siendo a la derecha en el caso del hemisferio sur.

Figura 10. Equilibrio de fuerzas y viento en la atmósfera libre. Isobaras rectas. Hemisferio norte (Figura 2.1.2.1.1 de la ROM 0.4 – 95).

La formulación empleada para el cálculo del viento geostrófico se rige por:

𝑢𝑢𝑔𝑔 𝜔𝜔 𝜌𝜌 𝑠𝑠𝑒𝑒𝑛𝑛Ψ

Δ𝑃𝑃Δ𝑦𝑦 (3)

• ω → Velocidad de rotación terrestre (rad/s)

(4)

• f → Factor de Briolis; • ρ → Densidad del aire (1.23 kg/m3)• Ψ → Latitud del punto de referencia (° terrestres)• ΔP → Incremento de presión (mb)• Δy → Incremento de distancia entre isobaras (° terrestres)

Tomando como constante el factor 𝜔𝜔 𝜌𝜌 de valor 4.786 y quedando

la fórmula del viento geostrófico de la siguiente manera:

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𝑢𝑢𝑔𝑔 𝛹𝛹

Δ𝑃𝑃Δ𝑦𝑦 (5)

Si las isobaras son curvas del equilibrio de las fuerzas del gradiente de presión (P), de Coriolis (C) y centrífuga (Fc), se genera un viento cuya ace-leración tangencial es nula (Figura 11). Este es conocido como viento de gradiente o viento bárico. Se podría decir que el viento de gradiente es un caso particular de viento geostrófico cuando existe curvatura en las isobaras.

Figura 11. Equilibrio de fuerzas y viento en la atmósfera libre. Isobaras curvas. Hemisferio norte. a) Circulación ciclónica. b) Circulación anticiclónica (Figura 2.1.2.1.2 de la ROM

0.4 – 95).

El viento de gradiente se calculará como sigue:Situación ciclónica (borrasca): la Ecuación 6 es la que modela el com-

portamiento, es la siguiente. Existen dos posibles soluciones, siendo posible una baja con flujo anticiclónico, aunque en general lo más habitual es la so-lución positiva.

𝐶𝐶 𝐹𝐹𝑐𝑐 𝑃𝑃 (6)

𝑉𝑉𝑔𝑔𝑟𝑟 − 𝑟𝑟 𝑓𝑓 𝑟𝑟 𝑓𝑓 𝑟𝑟

𝜌𝜌𝑑𝑑𝑝𝑝𝑑𝑑𝑛𝑛

𝑟𝑟 𝑓𝑓 − 𝑉𝑉𝑔𝑔𝑟𝑟 𝑓𝑓 (7)

• Vgr → Velocidad del viento de gradiente (m/s), equivalente al viento geostrófico para radio de curvatura infinita

• r → Radio de curvatura de la trayectoria del punto (en m), pudiendo diferir del radio de curvatura de la isobara más próxima, siendo des-preciable la diferencia. En los problemas será dato de partida

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• dp/dn → Máxima pendiente barométrica en el punto considerado. Equivale a Δ𝑃𝑃

Δ𝑦𝑦 (MPa/m; 1 mb = 100 Pa)

• f → Factor de Briolis; • sen Ψ → Latitud terrestre (° terrestres)• ω → Velocidad de rotación terrestre (rad/s)Situación anticiclónica: la Ecuación 8 modela su comportamiento, y son

posibles dos soluciones, siendo la velocidad mayor que cero alrededor de un alta, el flujo es anticiclónico.

P + Fc = C (8)

𝑉𝑉𝑔𝑔𝑟𝑟𝑟𝑟 𝑓𝑓 − 𝑟𝑟 𝑓𝑓 𝑟𝑟

𝜌𝜌𝑑𝑑𝑝𝑝𝑑𝑑𝑛𝑛

𝑟𝑟 𝑓𝑓 − 𝑉𝑉𝑔𝑔

𝑟𝑟 𝑓𝑓 (9)

Características del viento en las capas bajas de la atmósfera (capa límite planetaria)

La velocidad del viento es función de la altura, puesto que desde la capa de transición hasta la superficie terrestre va disminuyendo. El viento próxi-mo a la superficie terrestre es turbulento, sobre todo cerca de obstáculos, ac-cidentes del terreno, árboles, edificios, etc. Los perfiles de velocidades en estos casos son muy complejos y difícilmente ajustables matemáticamente. En superficies líquidas, la rugosidad es función directa del oleaje. Según nos aproximamos a la superficie terrestre, el viento sufre un cambio de dirección respecto a las isobaras, formando un ángulo con estas de 10 a 20° sobre la superficie del mar y en torno a 40° con la terrestre.

Una simplificación que se hace para su estudio es despreciar la fuerza de Coriolis respecto a la fuerza de rozamiento. Esto implica que el viento incide perpendicularmente a las isobaras en la capa límite superficial, he-cho que no ocurre realmente tras corroborarlo experimentalmente.

En este sentido, a efectos de cálculo se considera la velocidad básica del viento, como la velocidad media a cota de 10 m sobre la superficie sin presencia de obstáculos en un intervalo de 10 min (Vb=Vv,10min,10m). El cálculo de dicho viento sigue las recomendaciones de la «ROM 0.4 – 95: Acciones Climáticas para el Proyecto de las Obras Marítimas y Portuarias (II): Viento», donde se proporcionan las velocidades básicas del viento, como los factores correctores por altura, rugosidad y topografía, cuando las condiciones son diferentes a las estándar.

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En condiciones estándar, la velocidad a 10 m de altura (velocidad básica del viento) se calcula en función del viento geostrófico o bárico (según la curvatura de las isobaras):

(10)

Una forma más aproximada de calcular el viento básico a 10 m es utilizar la Figura 2.1.2.2.2 de la ROM 0.4 – 95, que se obtiene en función del viento de gradiente (Figura 12).

Además, esta velocidad de viento a 10 m de altura habrá sufrido una dis-torsión angular derivada de la cizalladura, como se comentó en el apartado 1.3.2 del presente capítulo.

Figura 12. Velocidad media del viento a 10 m de altura en mar abierto, en función de la velocidad del viento de gradiente (Figura 2.1.2.2.2 de la ROM 0.4 – 95).

2.2.3. Perturbaciones atmosféricas

Depresiones atmosféricasLa formación tiene lugar en zonas de bajas presiones subpolares, en el

contacto entre la masa polar y la tropical que se desplaza hacia el polo, próxi-ma a una latitud de 60°. A diferencia de otras formaciones, no presenta un ojo claramente definido, es más una zona central en el remolido de bajas pre-siones y generalmente se les denomina borrascas o bajas presiones. Como características principales, cabe destacar: diámetro de afección entre 100 y 300 km y velocidades de avance cerca de 100 km/h.

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Anticiclón o altas presionesEn general, las perturbaciones tienden a desaparecer una vez entran en

contacto con el Ártico. Sin embargo, el anticiclón es un fenómeno que produ-ce el viento, el cual posee diferentes intensidades a lo largo del año, pero de carácter continuo a lo largo del mismo. Este fenómeno constituye una parte fundamental del clima y da origen a los vientos alisios.

Los anticiclones están formados por masas de aire seco y denso, cuyo ori-gen se fundamenta en la célula de Halley y el enfriamiento del aire tropical. El aire se enfría aumentando su densidad, lo cual produce su descenso hacia las capas de la troposfera, donde se le incorpora el aire denso de la célula de Ferrel. El sentido de circulación en torno a los anticiclones en el hemisferio norte es el sentido de las agujas del reloj y contrario en el hemisferio sur.

Los vientos alisios están asociados a los anticiclones, puesto que estos, al entrar en contacto con la gran superficie líquida de los océanos, dan lugar a ciertas tensiones tangenciales. Estas producen arrastre del agua superficial de manera continuada, dando lugar a corrientes superficiales de enorme impor-tancia, en el desarrollo de la climatología del planeta.

Figura 13. a) Depresión atmosférica o borrasca (www.visibleearth.nasa.gov). b) Movimientos de los anticiclones.

Ciclones tropicalesEl aire de la atmósfera se satura debido a la presencia de masas de agua

cálida, cuyo efecto produce la rotación y ascenso de esta a gran velocidad, dando lugar al ojo del ciclón (eje en ausencia de viento, sobre el que la masa homogénea y con corrientes en espiral rota) produciéndose un desplazamien-to a gran velocidad. Estos fenómenos se desplazan hacia el oeste principal-mente por la acción de los vientos alisios del hemisferio norte. Presentan una actividad notoria en aguas cálidas, viéndose reducida en aguas frías y en pre-

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sencia de continente casi inexistente. Como características principales, cabe destacar: diámetro de afección entre 100 y 300 km y velocidades de avance cerca de 200 km/h.

HuracanesSe trata de una denominación de los ciclones tropicales típica de las zo-

nas del Caribe. Los huracanes atlánticos se forman en la longitud propia de las Azores o más hacia el oeste, viéndose arrastrados por los vientos alisios hacia el golfo de México. Debido a las bajas presiones formadas en el ojo del huracán, produce una succión de todos los elementos que encuentra en su camino.

Figura 14. a) Ciclón tropical (www.planetaazul.com). b) Desarrollo huracán atlántico (www.wunderground.com).

TornadosEl fenómeno de los tornados tiene como peculiaridad su formación en

tierra firme, su extensión reducida en el plano horizontal y su gran intensidad. Su diámetro abarca de 100 a 300 m con una velocidad de avance superior a los 300 km/h.

Tromba marinaEl fenómeno de la tromba marina tiene como peculiaridad su formación

en el mar, su extensión reducida en el plano horizontal y su gran intensidad, siendo equivalente al tornado en el mar. Su diámetro abarca de 100 a 300 m con una velocidad de avance superior a los 300 km/h.

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Figura 15. Tromba marina (www.eltiempo.hn).

Vientos termales: de ladera, brisas, etc.Son vientos que tienen como origen de formación la diferencia de inso-

lación y calentamiento que las diferentes superficies del planeta sufren a lo largo del año. Existen diferentes tipos de vientos termales, los cuales se des-criben a continuación:

1. Los monzonesSon vientos cuya formación se debe principalmente a la diferencia de tem-

peratura y facilidad de calentamiento entre las masas continentales y oceáni-cas. A su vez, estos vientos cambian de dirección con carácter cíclico (aprox. cada 6 meses).

Figura 16. a) Monzón de verano. b) Monzón de invierno (www.e-ducativa.catedu.es).

2. Vientos de laderaSon vientos cuya formación se debe principalmente a la diferencia de ra-

diación solar existente de las laderas frente a los valles (mucho menor en estos). El aire de ladera aumenta su temperatura y da lugar al ascenso de este,

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produciendo vacío tras de sí, que es inmediatamente ocupado por el aire del valle; esto da lugar a la circulación de aire conocida como viento de ladera. Este ciclo tiene su funcionamiento invertido durante el ciclo nocturno.

Figura 17. a) Viento de ladera ciclo nocturno. b) Viento de ladera ciclo diurno (www.avesecologaymedioambiente.com).

3. Las brisasFenómeno de formación muy similar a los vientos de ladera. Durante el

día, la tierra absorbe calor con rapidez, produciéndose el ascenso del aire situado en sus proximidades y siendo ocupado por aire frío proveniente del mar. Esta circulación de aire da lugar a la brisa marina, la cual comienza por la mañana y alcanza su máximo en la tarde. El ciclo se invierte durante el pe-ríodo nocturno, conocido como brisa terral o de tierra. La brisa se considera uno de los fenómenos principales de la costa, puesto que da lugar al efecto agradable y refrigerador entre la tierra y el mar.

Figura 18. a) Brisa marina diurna. b) Brisa marina nocturna (www.recursostic.educacion.es).

2.2.4. Interacción atmósfera-hidrosfera

Distribución del oleajeSe puede definir como fetch la superficie del océano en el cual la velo-

cidad y dirección del viento permanecen constantes. Normalmente, queda

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representado por su longitud. Esta se define como la longitud del área de generación, en la dirección principal de actuación del viento generador. Di-cha área es medida en longitud (km). Es posible distinguir los siguientes tipos de fetch:

• Fetch geográfico: referido al concepto geomorfológico de la superfi-cie geográfica.

• Fetch meteorológico: referido a la superficie líquida donde sopla el viento capaz de producir un oleaje que alcance el punto de previsión.

• Fetch esquemático: variante del meteorológico supuesta una super-ficie líquida en sección rectangular y caracterizada por una velocidad media (u).

• Fetch estándar: variante del esquemático supuesta una banda infinita y se caracteriza mediante una velocidad media y por la longitud de fetch.

Si el fetch se cuadriculara en pequeñas particiones, en cada una de ellas se producirían olas elementales con una tipología independiente del resto (altu-ra, frecuencia, fase y dirección), dando lugar a una configuración caótica que se conoce como mar de viento, mar en nido de abejas, mar naciente o «sea». Este estado de mar es complejo, puesto que se crean y destruyen perturbacio-nes continuamente. En estos momentos, puede registrarse una gran variedad de periodos y amplitudes sin un orden aparente.

Cuando el oleaje abandona su zona de generación, las ondas generadas en el fetch tienden a soldarse, uniéndose unas olas con otras en función de su frecuencia, de modo que se va concentrando la energía. Aparece, enton-ces, lo que se llama el oleaje de fondo o «swell», presentándose en forma de sucesiones o grupos constituidos por algunas olas de gran altura y otras más pequeñas. El período de las olas del swell depende de la longitud del fetch, de la velocidad del viento y de su duración o persistencia.

El conjunto de ambos fenómenos, sea y swell, se denomina oleaje. El oleaje es función, por lo tanto, de:

• La longitud del fetch• La velocidad e intensidad del viento• Su duración o persistencia• La profundidad de la lámina de H2O• La dirección del viento

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Figura 19. Alcance y marejada de fondo (www.comunidad.eduambiental.org).

2.3. preVisión del oleaje

2.3.1. Longitud de fetch (LF)DEF. 1: «Superficie de agua en la que actúa un viento homogéneo y esta-

cionario, generador de un oleaje capaz de propagarse hasta el punto de previ-sión considerado».

DEF. 2: «Longitud del área de generación en la dirección del viento».

Figura 20. Área de anchura ilimitada.

2.3.2. Longitud de fetch efectiva (Lefec)En el caso de que el fetch presente una anchura limitada (influyendo en el

proceso de generación del oleaje del viento), se debe calcular la longitud del fetch efectiva de la manera siguiente:

1. Se traza por el punto de previsión un radio en la dirección de avance del viento (dirección de avance del oleaje).

2. Se trazan a ambos lados de este cuatro rayos separados entre sí 3°, de manera que suman un total de nueve rayos con el central.

31

3. Se mide la longitud de fetch de cada rayo (hasta su interceptación con tierra firme), siendo la longitud efectiva:

𝐿𝐿𝐹𝐹𝑒𝑒𝑡𝑡𝑐𝑐ℎ 𝑒𝑒𝑓𝑓𝑒𝑒𝑐𝑐𝑡𝑡𝑖𝑖𝑣𝑣𝑎𝑎 𝑟𝑟𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 (11)

Esta longitud vendrá dada en unidades de medida del dibujo escalado.

Figura 21. Longitud de fetch efectiva.

4. Por último, se halla la longitud efectiva de fetch en km; teniendo en cuenta los grados de latitud entre los que está situado el punto de estu-dio, así como que 1° = 111 137 m.

2.3.3. Previsión del oleaje de vientoUna vez calculado el viento de referencia a 10 m de altura, es necesario

calcular el oleaje a partir de este.Los oleajes de vientos disponen de características limitadas principalmen-

te debido al efecto de la longitud de fetch y por la duración o persistencia del viento.

• Longitud de fetch: la duración del viento debe ser mayor que el tiem-po mínimo, a fin de permitir un período y altura de ola de equilibrio, no viéndose afectados estos por duraciones superiores. En la condi-ción límite para una velocidad de viento, las características del oleaje corresponderán a las del OTD (oleaje totalmente desarrollado).

• Duración o persistencia: el oleaje generado y sus características son función de la duración del viento. Por consiguiente, si esta es inferior a la mínima necesaria para que se alcance el equilibrio en el extremo del fetch, no se desarrollará completamente.

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En aguas profundasPara el cálculo del oleaje a partir del viento, uno de los métodos de cálculo

más utilizado es el desarrollado por «método del Shore Protection Manual (1947-1984)».

Velocidad eficaz del viento:

𝑈𝑈𝑎𝑎 𝑈𝑈 (12)

Las limitaciones vienen dadas por:

Limitación por fetch:

𝐻𝐻𝑠𝑠 − 𝑈𝑈𝑎𝑎 𝐿𝐿𝑓𝑓 (13)

𝑇𝑇𝑝𝑝 − 𝑈𝑈𝑎𝑎 𝐿𝐿𝑓𝑓 (14)

𝑡𝑡𝑚𝑚𝑖𝑖𝑛𝑛 𝐿𝐿𝑓𝑓𝑈𝑈𝑎𝑎

(15)

Oleaje totalmente desarrollado (OTD):

𝐻𝐻𝑠𝑠 − 𝑈𝑈𝑎𝑎 (16)

𝑇𝑇𝑝𝑝 𝑈𝑈𝑎𝑎 (17)

𝑡𝑡𝑚𝑚𝑖𝑖𝑛𝑛 𝑈𝑈𝑎𝑎 (18)

Limitación por duración:

𝐻𝐻𝑠𝑠

− 𝑈𝑈𝑎𝑎 𝑡𝑡𝑈𝑈𝑎𝑎 (19)

𝑇𝑇𝑝𝑝 − 𝑈𝑈𝑎𝑎 𝑡𝑡

𝑈𝑈𝑎𝑎 (20)

Siendo:• Hs → Altura de ola significante (m)• Lf → Longitud de fetch (m)• Ua → Factor activo del viento (m/s)

La metodología se describe en el siguiente esquema.