El siguiente texto es copia textual de la “GUIA DE APLICACIONES DE CLIMATOLOGÍA MARINA” Organización Meteorológica Mundial. Nº 781. Año 2000
2.5 ENGELAMIENTO
2.5.1 Generalidades
Se denomina engelamiento al proceso de depósito de hielo sobre una superficie, ya sea por roción engelante, niebla subfundida, precipitación engelante (lluvia o llovizna) y nieve mojada, o por una combinación de estos fenómenos. La acumulación de hielo que producen estas fuentes es un peligro considerable para los barcos, las estructuras y las aeronaves que operan en entornos marinos. Las cargas de hielo intensas afectan negativamente la estabilidad de los barcos y de las plataformas de perforación. Además, los depósitos de hielo pueden inmovilizar los equipos de salvamento, interferir en las comunicaciones y crear condiciones de trabajo peligrosas. Utilizar helicópteros en condiciones de engelamiento es extremadamente peligroso, ya que incluso una cantidad relativamente pequeña de hielo en los rotores puede afectar considerablemente el comportamiento del aparato.
Hubo un extenso debate sobre la importancia relativa de los mecanismos de acumulación de hielo para los barcos y las estructuras mar adentro (por ejemplo (16)). Por otra parte, los resúmenes de los informes de barco sobre el engelamiento indican que los rociones engelantes son la causa más frecuente y más grave de la formación de hielo mar adentro. La precipitación engelante es menos frecuente y menos grave mar adentro, debido al efecto de calentamiento producido por el aire que se desplaza sobre el agua Si bien el engelamiento atmosférico no es un problema tan grave para la navegación, reviste gran envergadura para las operaciones aéreas, por ejemplo, de búsqueda y rescate o apoyo de helicópteros para las actividades de exploración de petróleo lejos de las costas. Las zonas de aguas abiertas hacen aumentar el riesgo de engelamiento de las aeronaves en la estación fría, debido a los crecientes flujos verticales de calor y humedad que se producen en la capa de aire por encima del agua. Además, en los litorales aumenta la posibilidad de precipitación engelante, allí donde los flujos de aire húmedo procedentes de tierra se topan con superficies con temperaturas bajo cero.
Los rociones engelantes se producen donde coexisten el aire frío y las aguas abiertas. Esta condición se da más a menudo en las aguas cercanas a las masas continentales o de hielo marino, que son las zonas que originan aire frío. Algunas zonas de generación de rociones engelantes bien documentadas son las aguas del litoral oriental del Canadá, el mar de Barents, el mar de Bering, el golfo de Alaska, el mar Báltico, el mar de Japón y el mar de Ojotsk. Las condiciones de roción engelante se experimentan con mayor frecuencia en invierno en las aguas de las latitudes medias, y en otoño en las aguas polares que tienen una cubierta estacional de hielo. Por lo común, el engelamiento atmosférico de los barcos y las estructuras está restringido a las aguas costeras. A continuación se ofrece más información sobre los mecanismos de acumulación.
5.5.2 Rociones engelantes
El roción engelante es la forma de engelamiento más peligrosa en el mar, y casi e1 90% de los informes de engelamiento que proporcionan los barcos se refieren a este fenómeno (17). La espuma de los rociones se acumula a una velocidad superior a varios centímetros por hora, y resulta difícil eliminar el depósito debido a su dureza y fuerte adhesión. Las condiciones de roción engelante se producen cuando coexisten vientos fuertes y temperaturas frías en aguas abiertas. Bajo esas condiciones, una parte de la espuma interceptada por un barco o plataforma (espuma de olas) es la fuente dominante de agua líquida del proceso de engelamiento de la espuma. No obstante, es posible que la espuma que produce el viento fuerte al romper la cresta de las olas también sea un factor importante del engelamiento de las estructuras estacionarias.
La velocidad con que se acumula la espuma engelante depende de un número de parámetros oceanográficos y meteorológicos complejos del barco. Éstos afectan los dos componentes principales de la ecuación de engelamiento: a) la cantidad de agua que llega, y b) la tasa de la pérdida de calor en la superficie de engelamiento. El proceso de formación de los rociones está controlado por las características de producción de espuma del barco, las condiciones del estado del mar y la velocidad y el rumbo del barco. Los barcos producen generalmente la mayor cantidad de espuma cuando llevan un rumbo perpendicular a las olas, y la menor cantidad cuando el rumbo es paralelo a la dirección de las olas. El tamaño del barco también es un factor importante de la tasa de engelamiento, ya que el promedio de contenido de agua líquida de la espuma generada por las olas disminuye exponencialmente con la altura. La espuma se encuentra habitualmente en una franja de 5-10 m sobre el nivel del mar, lo que significa que las embarcaciones pequeñas están expuestas a una cantidad mucho mayor de espuma que las grandes, o las plataformas de perforación. Hay muy pocos casos documentados de rociones engelantes que hayan alcanzado la cubierta de una de esas plataformas e interferido con los trabajos. No obstante, en entornos sometidos a condiciones extremas, la espuma puede alcanzar alturas de 30 m sobre el nivel del mar. Esto le ocurrió a la plataforma “Ocean Bounty”, emplazada en la ensenada de Cook, Alaska, donde se acumularon más de 500 toneladas de hielo y hubo que descargar los carburantes del equipo de perforación para mantener la estabilidad (18).
Los principales parámetros que intervienen en el proceso de congelación son la temperatura del aire, la velocidad del viento, la temperatura de la superficie del mar, la salinidad de la superficie del mar y la humedad relativa. Este proceso es muy sensible a las variaciones de la temperatura del aire y a la velocidad del viento, pues ambas ejercen una fuerte influencia sobre la pérdida de calor de una superficie de engelamiento. La velocidad del viento también afecta a la cantidad de espuma interceptada por una superficie, debido a la influencia que ejerce sobre el estado del mar. A menudo, el engelamiento significativo necesita temperaturas inferiores a –5ºC y velocidades del viento superiores a 25 nudos. La gran sensibilidad de los rociones engelantes frente a estos dos parámetros es la razón principal por la que se pueden usar nomogramas simples, como el de Sawada (19), para obtener estimaciones razonables del potencial de engelamiento de la espuma. En la sección 3.3.1 se analizan las posibles técnicas de estimación del potencial de engelamiento de los rociones.
Hay pruebas conflictivas sobre la importancia de la temperatura de la superficie del mar. No obstante, los modelos físicos de engelamiento más recientes confirman la conclusión de Shellard de que ese fenómeno es relativamente insensible a temperaturas de la superficie del mar inferiores a unos +8ºC. En teoría, no hay un límite superior de la temperatura de la superficie del mar para la espuma engelante, y rara vez se ha registrado un engelamiento de superestructura severo con temperaturas de la superficie del mar por encima de 6-8 ºC. Como lo señala Shellard (16) la temperatura de la superficie del mar tiene un efecto indirecto importante sobre la congelación al calentar el aire que pasa sobre el océano. La salinidad afecta el proceso de engelamiento, pues determina la temperatura de congelación de la espuma (-1.8ºC es un valor típico para la mayoría de las aguas oceánicas abiertas), y también porque incide en el calor latente de fusión y en la presión del vapor de saturación. Shellard indica que la salinidad reviste poca importancia. Pero los modelos físicos recientes sugieren que la salinidad es, después de la temperatura del aire y la velocidad del viento, la variable más importante. La humedad relativa afecta el enfriamiento de las gotitas de agua y de la película de agua, aunque tiene un impacto menor sobre la tasa de engelamiento.
En el hemisferio norte, la característica sinóptica típica de la espuma engelante es un golpe de viento frío en la cola de una depresión. La dirección particular del viento asociada con las condiciones de roción engelante depende de la zona de donde sopla el viento frío, por ejemplo, en la costa oriental del Canadá, el viento sopla del oeste- noroeste, y en el mar Báltico, sobre todo del este. Puesto que el aire frío se calienta al atravesar el océano, la mayor cantidad de casos de formación de hielo en los barcos se producen a unos pocos cientos de millas náuticas de la costa. La espuma engelante no ocurre generalmente al mismo tiempo que el engelamiento atmosférico, especialmente la precipitación engelante, que se forma bajo condiciones meteorológicas bastante diferentes. Pero la espuma engelante y la niebla de evaporación (“humo del mar”) pueden coexistir cerca de la costa o al borde de los hielos durante un golpe fuerte de frío. Brown y Roebber (20) también señalan que más del 60% de los informes de engelamiento de barcos en aguas canadienses también consignaron turbonadas y chubascos de nieve durante los eventos de rociones engelantes. Éstos resultan de la inestabilidad térmica inducida cuando el aire frío se desplaza sobre la superficie del mar mucho más caliente, y pueden contribuir a la acumulación de hielo.
En realidad, el proceso de congelación es infinitamente más complejo que la visión simplificada que se presenta aquí. Las variaciones de los rociones y la pérdida de calor de la superestructura de un barco producen variaciones significativas en las tasas de formación del hielo con la altura y la exposición. Este es uno de los peligros que entraña la espuma engelante: el hielo se acumula con mayor velocidad en mástiles y aparejos, lo que aumenta considerablemente el riesgo de hundimiento de la nave.
2.5.3 Precipitación engelante
El requisito básico para la ocurrencia de precipitación engelante es la existencia de una capa engelante en la superficie o cerca de ella, ya que las gotitas de agua, al atravesarla, se enfrían por debajo del punto normal de congelación, sin que ésta llegue a realizarse (subfusión). Estas condiciones no se dan con frecuencia en aguas abiertas porque el escaso poder calorífico del aire frío reduce el riesgo de que se forme una capa de subfusión en la superficie. Pero la precipitación engelante puede ocurrir a menudo cerca de las costas o del hielo a la deriva, durante los flujos invernales mar adentro. La frecuencia de los eventos de precipitación engelante disminuye rápidamente al internarse en el mar, por lo que las estaciones costeras no son útiles para informar sobre las condiciones de congelación mar adentro.
Lejos del litoral, los eventos de precipitación engelante son fenómenos relativamente infrecuentes y de corta duración que, más que un peligro, son una molestia para el trabajo, pues tornan resbaladizas las superficies, pero no crean superficies heladas duras. Al analizar los informes de engelamiento procedentes de buques, Brown y Roebber encontraron que las acumulaciones máximas de precipitación engelante nunca sobrepasaban los 5 cm. Panov (21) indica que la precipitación engelante se da en mar abierto dentro de una franja de temperaturas bastante estrecha (-5ºC a –2ºC) con “vientos débiles”. Pero estudios más recientes demuestran que este fenómeno se puede dar con una gama muy amplia de temperaturas (tan bajas como –20ºC) con velocidades de viento de hasta 20 m s-1.
La precipitación engelante puede ser tan sólo una molestia mar adentro, pero cerca del litoral altera considerablemente las operaciones de aviación, especialmente las de los helicópteros. Si se compara la frecuencia de ocurrencia de este fenómeno comunicada por los barcos y los aeropuertos que prestan apoyo a las actividades aéreas realizadas mar adentro, se tendrá una estimación de la magnitud relativa del problema de engelamiento de las aeronaves.
2.5.4 Niebla subfundida.
Dos mecanismos pueden intervenir en la formación de la niebla subfundida: a) la niebla de evaporación, También llamada “humo del mar”, que ocurre cuando el aire está mucho más frío que el mar; y b) la niebla puede formarse cuando una masa de aire relativamente caliente pasa por aguas cuya temperatura en la superficie es inferior a la del punto de rocío del aire y a 0ºC (niebla por advección o niebla marina). Si bien se ha sugerido que tiene que haber una diferencia con la temperatura del aire de más de 9ºC para que se produzca la niebla de evaporación o humo del mar, su formación es también una función de la humedad relativa. Por ello, la diferencia de temperatura entre el aire y el mar puede ser de 3 a 15 según la humedad relativa del aire. Makkonen (22) presenta esta información en diagramas. La altura de la capa de niebla también es importante, ya que la niebla de evaporación puede consistir en una capa de superficie delgada, hasta una densa capa de nubes o estratos de hasta 100 m por encima de la superficie del mar. El espesor de la niebla tiene que ver con las velocidades de mezcla de la capa limite superficial, que dependen de la temperatura, la humedad relativa, la estabilidad y la velocidad del viento. Makkonen ofrece un análisis de las técnicas para determinar el espesor de la niebla. Hay más probabilidad de que el humo del mar se produzca cerca del litoral o el borde del hielo, debido al efecto modificador que tienen las aguas abiertas sobre las masas de aire frío que se mueven sobre ellas.
Puesto que la niebla subfundida por advección sólo aparece cuando la temperatura de la superficie del mar baja de 0ºC, está restringida por definición a las aguas saladas y frías o con hielo a la deriva. Las condiciones que favorecen la niebla por advección se dan en zonas que tienen hielos estacionales, justo después del comienzo de la primavera y antes de la congelación. Los mapas de la frecuencia de la niebla subfundida en el hemisferio norte que figuran en (23) confirman que este fenómeno ocurre rara vez en el mar, excepto cerca del litoral y los bordes de hielo septentrionales. En general, la niebla subfundida contiene poca cantidad de agua, por lo que es preciso que un barco esté expuesto durante un período prolongado para que se forme el hielo.
2.5.5 Nieve mojada
La nieve mojada se acumula en una estructura cuando los copos de nieve cubiertos por una película fina de agua llegan a una superficie y se adhieren a ella. El requisito de que haya una película de agua líquida significa que la nieve mojada se asocia con frecuencia a temperaturas del aire de 0ºC a 20C. Para que se formen depósitos espesos de nieve mojada hace falta que caiga una gran cantidad de nieve (típicamente más de l0 mm h-1) y soplen vientos fuertes de 10 a 2Om s-1. El viento produce fuerzas de compactación que aceleran la densificación de la nieve y la formación de los limites de los gránulos. Las densidades de acumulación resultantes pueden alcanzar las del hielo claro, o sea, 700-900 kg m-3. Se ha observado que las acumulaciones grandes de nieve mojada se forman sólo sobre alambres y cables horizontales de pequeño diámetro, donde el depósito de nieve puede rotar y formar una capa cilíndrica deslizándose alrededor de la superficie, o al torsionar el cable. Si el objeto está fijo, o si la nieve no se puede deslizar, el depósito no llega a formarse y el viento se lleva la nieve (22). Esto significa que las estructuras mar adentro y los buques que tienen superficies generalmente grandes y fijas no corren peligro de que la nieve mojada forme depósitos importantes.
Referencias
16. Shellard, H.C. 1974: The meteorological aspects of ice accretion on ships. Marine Science Affairs Report No. 10. WMO—No. 397, Ginebra.
17- Makkonen, L., 1988: Formation of spray ice on offshore structures. Documento presentado en el Noveno simposio de la AIIH sobre el hielo (Sapporo, Japón, 23-27 de agosto de 1988).
18. Nauman, J.W. y Tyagi, R., 1985: Superstructure icing and freezing conditions on offshore drill rigs. Alaska experience and regu!atory implications. Proc. International Workshop on offshore Winds and icing (Halifax. Nueva Escocia. Canadá. 7-11 de octubre de 1985) pags. 57-69.
19. Sawada, T., 1962: Icing on ships and its forecasting. J. of Japanese Society of Snow and Ice. Tokyo, 24, págs. 12-14.
20. Brown. R.D. y Roebber, P., 1985: The ice accretion problem in Canadian waters related to offshore energy and transportation. Canadian Climate Centre Report 85-13, Atmospheric Environment Service. Downsview, Ontario 295 págs.
21. Panov V.V.,1978: Icing of ships. Polar Geography, 2, 3, pags 166-186.
22. Makkonen, L. 1984: Atmospheric icing on sea structures. US Army, Cold Regions Research and Engineering Lab, Hanover NH, CRREL Monograph 84-2, 92 págs.
Espero que le venga bien a alguien...
