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• jose montoya vargas

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UNIVERSIDAD TÉCNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA CIVIL

INSTRUMENTOS METEOROLÓGICOS 1.- MEDICION DE LA PRECIPITACION En meteorología, la precipitación es cualquier forma de hidrometeoro que cae de la atmósfera y llega a la superficie terrestre. Este fenómeno incluye lluvia, llovizna, nieve, aguanieve, granizo, pero no virga, neblina ni rocío, que son formas de condensación y no de precipitación. La medida de la precipitación tiene por objeto obtener toda la información posible sobre la cantidad de las mismas que cae en un periodo de tiempo determinado. También permiten obtener la distribución de las precipitaciones en el tiempo y el espacio. Los instrumentos utilizados en medir la precipitación son: 1.1.- EL PLUVIÒMETRO Junto con la veleta, el pluviómetro han sido los instrumentos meteorológicos más antiguos de los que tenemos constancia en la documentación histórica así como en los vestigios arqueológicos. Así, ya encontramos los primeros datos hacia el 500 a.C. en Grecia y un siglo después en la India. Su utilidad no era la de estudios pluviométricos de la zona sino la de poder estimar las próximas cosechas y así poder tantear los impuestos que más tarde se podrían cobrar. Habrá que pasar al año 1441 para encontrar un recipiente de hierro, llamado cheugugi, diseñado por el coreano Jang Yeong (Fig. 1), un astrónomo coetáneo de la dinastía del rey Sejong El Grande (1418-1450). La economía de aquel país estaba basada en la agricultura por lo que era sensible a los episodios de sequías o de lluvias violentas lo que hacía necesario técnicas para gestionar mejor los recursos del agua. El monarca vio la utilidad de este depósito y ordenó que todos los gobernadores provinciales tuviesen uno en cada oficina y fuesen ellos los que realizasen registros. Estos primitivos pluviómetros tenían un diámetro de unos 17cm y una altura de 42,5.

Fig. 1 Estatua del científico coreano Jang Yeong (izq.) y el pluviómetro inventado por él (der.)

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En el mundo occidental encontramos en 1639 a Benedetto Castelli (1578-1643), un discípulo de Galileo. Confeccionó un colector de lluvia que conectaba con un recipiente debidamente graduado. No parece que se complicase mucho más el diseño. Sí que merece caso aparte el inglés Christopher Wren (1632-1723). Fue un notable arquitecto que se encargó de la reconstrucción de la ciudad de Londres tras el incendio que la asoló en septiembre de 1666. Antes confeccionó lo que se puede calificar de un pluviógrafo primitivo en 1662. Tuvo la picaría de construir un mecanismo de émbolos y de palancas, de tal forma que una de éstas conectaba con un plumilla que dibujaba gráficamente la precipitación sobre un papel graduado (Fig. 2). Este esquema lo empleó un año después para crear un nuevo dispositivo que registraba más variables meteorológicas.

Fig. 2 Ilustración del científico Christopher Wren observando su pluviómetro (1920) También en ese siglo XVII encontramos a uno de los físicos más grandes de esa centuria y no es exagerado decir que está entre la veintena de los más significativos de la Historia. Se trata de Robert Hooke (1635-1703), uno de los rivales de Isaac Newton. Aportó importantes avances la Física en los campos del estudio de la luz y de la elasticidad de los cuerpos así como el descubrimiento de las células a través del microscopio. Sin embargo, no parece que pusiera mucho afán en el ámbito de las precipitaciones. El pluviómetro que construyó consistía en un embudo de cristal de 29cm de diámetro sostenido por una botella de 9 litros. Semanalmente recogía la precipitación caída en Gresham, Londres, lugar donde lo ubicó. También diseñó el anemómetro para medir la velocidad del viento, la balanza de proporción, un micrómetro y el aritmógrafo, una especie de máquina de cálculo.

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Hellmann, el inventor del pluviómetro moderno Gustav Johann Georg Hellmann nació en Lovaina, Silesia, el 3 de julio de 1854 y falleció en Berlín el 21 de febrero de 1939 (Fig. 3). Sus primeros estudios los realizó en Breslavia y Berlín. Fue en Gotinga donde se doctoró en Meteorología en 1875 con una tesis titulada “Los cambios diarios en la temperatura de la atmósfera en el norte de Alemania”. En 1879 se incorporó en el Instituto Meteorológico Prusiano en Berlín, llegando a ser su director interino entre 1882 y 1885. Al año siguiente fue profesor y jefe del departamento de Climatología de este centro, labor que desempeñó entre 1907 y 1922. Su profesionalidad hizo de este instituto un centro de referencia mundial. Estuvo en el cargo hasta que fue nombrado profesor de Meteorología en la Universidad de Berlín. Su actividad literaria fue excepcional. Por un lado está el total de sus escritos, que sobrepasa los 300, y por otro la dirección de la “Revista de Meteorología” entre 1892 y 1907 junto con el también meteorólogo Julius von Hann. De todos estos papeles, destaca el “Atlas climático de Alemania” (1921) publicación que rápidamente se convirtió en reseña en el mundo de la investigación del estudio de la recién nacida climatología. No nos olvidemos de “La precipitación en las cuencas de los ríos del norte de Alemania” (1906) fruto del especial interés en la correcta medida de la precipitación. Visitó varios países de Europa, incluida España, para ver cómo se evaluaba esta observación. Resultado de esos viajes, diseñó un pluviómetro (1886) que rápidamente se expandió por todo el mundo. Descripción física y utilización del pluviómetro El pluviómetro es el instrumento científico destinado a la medida de la precipitación tanto en su forma líquida (lluvia y/o llovizna), sólida (nieve y/o granizo) o la combinación de ambas. De los diversos modelos de pluviómetros, el más conocido y extendido a nivel mundial es el modelo Hellman, en honor al meteorólogo alemán que lo diseñó en 1886 (Fig. 4). Consta de un embudo de acero galvanizado (aunque recientemente se están imponiendo los de plástico, en particular de policarbonato), de cuello largo y profundo. La abertura, cuyo borde es de bronce, por donde se introduce la lluvia tiene un diámetro de 15,96cm por lo que ocupa una extensión de 200cm2. Es el receptor. Además en el cuello del embudo se le suele introducir una cruceta metálica. El objetivo de ésta es evitar que los copos de nieve no sean expulsados hacia fuera por las turbulencias de aire que el viento puede llegar a crear.

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El pitorro del embudo conecta con una vasija de plástico introducida en otro cilindro que solapa con el anterior, el llamado protector. Éste se encarga no sólo de guardar la precipitación caída, sino también de evitar que se evapore. El total de precipitación que puede recoger la botija es de unos 60l/m2. Una vez que se rebasa esta cantidad, el excedente queda recogido en el receptor pudiendo acumular hasta 200l/m2. Estas dos partes tienen unas pestañas que encajan en un soporte que se instala sobre un poste, generalmente metálico, de tal forma que la boca del pluviómetro quede a 1,50m sobre el suelo, perfectamente horizontal. Para realizar la observación, se toma el recipiente que contiene la lluvia y se vierte ésta en una probeta que permite establecer determinarla con una precisión de 0,1mm. Para el caso de la nieve o del granizo, lo más recomendable es que se retire la botija a un lugar cálido y se reemplace por otra vacía. Se espera que se derrita toda la nieve y se efectúa la lectura como si fuese de lluvia. Fig. 4 Pluviómetro del modelo Hellmann empleado mundialmente

Es un recipiente metálico de forma cilíndrica; en su parte superior tiene una boca circular que recibe el agua lluvia la cual pasa por medio de un embudo a otro recipiente, también cilíndrico, denominado colector en el cual se almacena el agua para su posterior medición.

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Existen dos métodos para medir la lluvia recogida en el pluviómetro: a. Con una probeta b. Con una reglilla El primero es más conveniente para los pluviómetros de lectura diaria, mientras que para los de lectura semanal o mensual es preferible el segundo. La probeta, es un cilindro de vidrio o plástico transparente sobre el cual esta indicado el tamaño del pluviómetro con que debe ser empleada. Las graduaciones, finalmente grabadas, están separadas cada 0.2 milímetros de lluvia, Figura 15

Figura 15. Lectura de probeta Fuente: Sabogal, N., I985 La reglilla, es de madera y sus graduaciones corresponden a milímetros y décimos de precipitación. Las observaciones de precipitación se realizan diariamente a la 7 de la mañana. La cantidad de lluvia calda en un día (total diario) se cuenta desde las 7 de (a mañana de ese día hasta las 7 de la mañana del día siguiente (07-07). Ubicación del pluviómetro Es evidente que el emplazamiento correcto del pluviómetro debe ser el que menos obstáculos cercanos tenga. La Organización Meteorológica Mundial recomienda que se coloquen a una distancia al menos el doble de la altura del objeto más alto (Fig. 5). Algunos estudios indican que con una buena situación se podría llegar a evitar errores del 10 al 20%.

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Fig. 5 Emplazamiento ideal del pluviómetro. Pluviómetro de balancín Una variante del clásico pluviómetro de Hellmann es el pluviómetro de balancín. Consta de un embudo con las mismas características y medidas pero cuyo pitorro conduce el agua a un pequeño columpio cuyos platos son cubetas triangulares de plástico o de metal. Así, una vez que llueve y se colma una de ellas, cae su mitad por efecto del peso, el agua se derrama y se cierra un circuito eléctrico quedando listo el plato opuesto para repetir el mismo proceso. Cada balanceo se produce con 0,2mm de precipitación. Esta alternancia es registrada mediante un contador. Así, es posible el número de veces que las cubetas se han movido al cabo de un determinado periodo de tiempo. Este ingenioso mecanismo es utilizado en los actuales pluviómetros digitales. Este tipo de pluviómetro suele ir acompañado de un pequeño circuito eléctrico que se dispara cuando la temperatura del aire es inferior a los 4ºC de tal forma que si nieva, ésta se transforma rápidamente en lluvia y así el dispositivo puede realizar satisfactoriamente su función. El inconveniente de este modelo surge con las precipitaciones torrenciales. La cantidad de lluvia puede ser tan grande que el pluviómetro sea incapaz de gestionar correctamente y de lecturas erróneas. Es por ello que el Hellmann se convierte en el instrumento más eficaz.

Fig. 6. Pluviómetro de balancín.

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1.2.-EL PLUVIÓGRAFO Es evidente que el estudio de la precipitación de un lugar no basta con sólo medir la cantidad. No es lo mismo que en caigan 30 l/m2 en un día de forma pausada y mansa a que lo haga en apenas 10 minutos de forma brusca y violenta. Surge, por tanto, la necesidad de evaluar esta variable meteorológica de forma temporal. Así, nace el nuevo instrumento: el pluviógrafo (Fig. 7). Del latín pluvia-, “lluvia”, y del griego –grafos, “escritura” es el instrumento que deja registro de cómo llueve en el lugar su emplazamiento. Consiste un embudo de cuello alto de las mismas dimensiones que el empleado en el pluviómetro de Hellman cuyo pitorro está conectado con un mango hasta un sifón. El agua de lluvia cae dentro de él y, al tiempo que se llena, asciende un émbolo sostenido por un material flotable muy ligero, como el poliexpan. Ese émbolo está conectado con una plumilla que deja una marca sobre un papel graduado que está enrollado sobre un tambor que da una vuelta cada 24 horas o bien cada semana. Por lo general el sifón tiene un recorrido que se completa cuando se han recogido 10l/m2. Así, cada vez que se alcanza esta cifra, el dispositivo se vacía automáticamente quedándose disponible para iniciar el proceso ininterrumpidamente

Fig. 7 Pluviógrafo.

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Con este ingenioso instrumento no sólo es fácil determinar la cantidad de lluvia caída (aunque cuenta con la principal desventaja que, ante situaciones de lluvias intensas y bruscas, el mecanismo es incapaz de reaccionar de forma correcta, bloqueándose) sino también las horas de lluvia y, lo que es más importante, su intensidad. La forma de determinar esta nueva característica es relativamente sencilla. Se toma la banda de papel donde ha quedado dibujada la gráfica de la precipitación y se estipula a ojo el intervalo de 10 minutos cuando ha llovido más. Este tiempo suele corresponder donde la curva tiene mayor pendiente o mayor número de descargas. Se obtiene el total de precipitación y se multiplica por 6 de tal forma que se obtiene la intensidad máxima de precipitación que correspondería, teóricamente, a la precipitación que llegaría a caer en una hora si estuviera lloviendo con esa intensidad máxima. Su unidad de medida es mm/h o bien, l/m2h (litros por metro cuadrado y hora). Esta nueva magnitud nos permite clasificar las precipitaciones en función de su intensidad.     

Débiles: intensidad menor o igual que 2 mm/h Moderada: intensidad mayor que 2 mm/h y menor o igual que 15 mm/h. Fuerte: intensidad mayor que 15 mm/h y menor que 30 mm/h. Muy fuertes: intensidad mayor que 30 mm/h y menor o igual que 60 mm/h. Torrenciales: intensidad mayor que 60 mm/h.

Registro de un pluviógrafo Las líneas verticales son las descargas del sifón. En este caso, la máxima intensidad de la precipitación se dio a las 4:10h (escala superior horizontal) en la que se recogieron 4,0mm (escala vertical), lo cual representa una intensidad máxima de 24,0mm/h. Ese día llovió desde las 12:00 hasta las 2:25, 2,8l/m2 y desde las 2:40 hasta las 4:50 unos 25,0l/m2 en un total 4 horas y 35 minutos lo que representa una intensidad media de 5,5mm/h.

Fig. 8 Registro de un pluviógrafo.

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1.3.-OTROS INSTRUMENTOS PARA MEDIR OTRAS FORMAS DE PRECIPITACION MEDIDA DE LAS PRECIPITACIONES EN FORMA DE NIEVE Los días de nieve o cuando el agua del pluviómetro se ha congelado, el observador tiene dos posibilidades: 1. No cae nieve en el momento de la observación El pluviómetro puede llevarse al interior con el fin de fundir su contenido, el cual se mide a continuación según el procedimiento descrito. El pluviómetro puede calentarse moderadamente hasta que se funda toda la nieve. Es conveniente cubrir la boca con una tapa, a fin de que no se pierda agua por evaporación. 2. Con nieve en el momento de la observación En este caso hay dos posibilidades: a) Hacer fundir la nieve o el hielo rodeando el embudo o el recipiente con un paño humedecido en agua caliente. b) Medir una cantidad determinada de agua caliente por medio de la probeta y echarla después en el pluviómetro. La cantidad de agua añadida de esta forma deberá restarse después de la cantidad total que se encuentre en el pluviómetro. Para medir la lluvia también se utilizan otros tipos de instrumentos como pueden ser: - Pluviómetros registradores, o pluviógrafos. Su mecanismo varía en función de cada modelo: Pluviómetros de flotador, de balancín, de peso... - Pluviómetros especiales para medida de la nieve, también llamados nivómetros. Suelen estar emplazados en zonas de montaña y su misión es la de contabilizar la precipitación caída en forma de nieve. Llevan un líquido especial (aceite o parafina) para evitar la evaaporación de su contenido, ya que sus medidas suelen recogerse mensualmente. MEDIDA DE LA CAPA DE NIEVE La capa de nieve es la nieve acumulado sobre el suelo en el momento de la observación. Los métodos más usados frecuentemente para medir el espesor de esta capa son: - Por observación directa mediante una varilla o regla graduada - Por medio de escalas graduadas fijas en puntos representativos

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Nivómetro El nivómetro es un aparato diseñado para medir la profundidad y espesor de la capa de nieve, aguanieve o granizo y evalúa un cálculo de la cantidad de agua precipitada de esta manera en un lugar determinado, durante un intervalo de tiempo dado. Existen diferentes tipos, como son el nivómetro láser o el acústico (sónico). El acústico no necesita tocar la superficie de la nieve y su principio de funcionamiento es utilizando un transmisor-receptor a modo de reflector de ondas con frecuencia ultrasónica. Se utiliza para el control del agua, tráfico y meteorología