Ona lee

El vent flueix cap a una muntanya i produeix una primera oscil·lació (A) seguida de més ones. Les ones següents tindran una amplitud més baixa a causa de l'amortiment natural. Els núvols lenticulars enganxats a la part superior del flux (A) i (B) apareixeran immòbils malgrat el fort vent.

En meteorologia, l'ona lee o de sotavent són ones estacionàries atmosfèriques. La forma més comuna són les ones de muntanya, que són ones de gravetat internes atmosfèriques. Aquestes van ser descobertes el 1933 per dos pilots de planadors alemanys, Hans Deutschmann i Wolf Hirth, per sobre de les Muntanyes dels Gegants. Són canvis periòdics de pressió atmosfèrica, temperatura i alçada ortomètrica en un corrent d'aire causats per desplaçament vertical, per exemple, l'elevació orogràfica quan el vent bufa sobre una muntanya o serralada. També poden ser causades pel vent superficial que bufa sobre un escarpament o altiplà, o fins i tot per vents superiors desviats sobre un corrent ascendent tèrmic o un carrer de núvols.

El moviment vertical força canvis periòdics en la velocitat i la direcció de l'aire dins d'aquest corrent d'aire. Sempre es produeixen en grups al costat de sotavent del terreny que les desencadena. De vegades, les ones de muntanya poden ajudar a augmentar les quantitats de precipitació a sotavent de les serralades. Normalment es genera un vòrtex turbulent, amb el seu eix de rotació paral·lel a la serralada, al voltant de la primera conca; això s'anomena rotor. Les ones de sotavent més fortes es produeixen quan el corrent de vent mostra una capa estable per sobre de l'obstrucció, amb una capa inestable a sobre i a sota.

Núvol lenticular Moazagotl

Vents forts (amb ratxes de vent de més de 100 milles per hora (160 km/h) ) es poden crear als peus de les grans serralades per les ones de muntanya. Aquests forts vents poden contribuir al creixement i la propagació inesperats dels incendis forestals (inclosos els incendis forestals de les Grans Muntanyes Fumejants del 2016, quan les espurnes d'un incendi forestal a les Muntanyes Fumejants van arribar a les zones de Gatlinburg i Pigeon Forge).

Teoria bàsica

Un experiment de laboratori de dinàmica de fluids il·lustra el flux més enllà d'un obstacle en forma de muntanya. Les crestes de les ones riu avall irradien cap amunt amb la seva velocitat de grup apuntant a uns 45° respecte a l'horitzontal. Es pot veure un jet de pendent descendent a sotavent de la muntanya, una zona de baixa pressió, turbulència augmentada i desplaçament vertical periòdic de les parcel·les de fluid. Les línies de color verticals indiquen que els efectes també es noten aigües amunt de la muntanya, una zona de més alta pressió.

Les ones lee són una forma d'ones de gravetat internes produïdes quan un flux estable i estratificat es veu forçat a passar per sobre d'un obstacle. Aquesta pertorbació eleva les parcel·les d'aire per sobre del seu nivell de flotabilitat neutra. Per tant, les forces de restauració de la flotabilitat actuen per excitar una oscil·lació vertical de les parcel·les d'aire pertorbades a la freqüència de Brunt-Väisäla, que per a l'atmosfera és:

$N={\sqrt {{g \over \theta _{0}}{d\theta _{0} \over dz}}}$ on $\theta _{0}(z)$ és el perfil vertical de la temperatura potencial.

Oscil·lacions inclinades fora de l'eix vertical en un angle de $\phi$ es produirà amb una freqüència més baixa de $N\cos {\phi }$ Aquestes oscil·lacions de les parcel·les d'aire es produeixen en concert, paral·leles als fronts d'ona (línies de fase constant). Aquests fronts d'ona representen els extrems del camp de pressió pertorbat (és a dir, les línies de pressió més baixa i més alta), mentre que les àrees entre els fronts d'ona representen els extrems del camp de flotabilitat pertorbat (és a dir, les àrees que guanyen o perden flotabilitat més ràpidament).

L'energia es transmet al llarg dels fronts d'ona (paral·lela a les oscil·lacions de les parcel·les d'aire), que és la direcció de la velocitat de grup de l'ona. En canvi, la propagació de fase (o velocitat de fase) de les ones apunta perpendicular a la transmissió d'energia (o velocitat de grup).

Núvols

Una finestra d'ona sobre la vall de l'Àguila Calva del centre de Pennsilvània vista des d'un planador mirant cap al nord. El flux del vent és de dalt a l'esquerra a baix a la dreta. El front d'Allegheny es troba sota la vora esquerra de la finestra, l'aire ascendent es troba a la vora dreta i la distància entre ells és de 3 a 4 km.

Tant les ones de sotavent com el rotor poden estar indicades per formacions específiques de núvols d'ona si hi ha prou humitat a l'atmosfera i prou desplaçament vertical per refredar l'aire fins al punt de rosada. Les ones també es poden formar en aire sec sense marcadors de núvols. Els núvols d'ona no es mouen a sotavent com solen fer els núvols, sinó que romanen fixos en la seva posició respecte a l'obstrucció que els forma.

• Al voltant de la cresta de l'ona, el refredament per expansió adiabàtica pot formar un núvol en forma de lent (lenticular). Múltiples núvols lenticulars es poden apilar uns sobre els altres si hi ha capes alternes d'aire relativament sec i humit a l'aire.
• El rotor pot generar cúmuls o cúmuls fractus a la seva porció ascendente, també conegut com a "núvol enrotllat". El núvol del rotor sembla una línia de cúmuls. Es forma al costat de sotavent i paral·lel a la línia de la carena. La seva base és a prop de l'alçada del cim de la muntanya, tot i que la part superior es pot estendre molt per sobre del cim i es pot fusionar amb els núvols lenticulars que hi ha a sobre. Els núvols del rotor tenen vores de sotavent irregulars i són perillosament turbulents.
• Pot existir un núvol de paret de foehn al vessant de sotavent de les muntanyes, però això no és una indicació fiable de la presència d'ones de sotavent.
• Un núvol píleus o de capa, similar a un núvol lenticular, es pot formar per sobre de la muntanya o del núvol cúmul que genera l'ona.
• L'escalfament per compressió adiabàtica a la vall de cada oscil·lació d'ona també pot evaporar núvols cúmuls o estrats a la massa d'aire, creant una "finestra d'ona" o "bretxa de Foehn".

Aviació

Les ones de sotavent ofereixen als planadors la possibilitat de guanyar altitud o volar llargues distàncies quan volen enlaire. S'han aconseguit rècords mundials de vol amb ones en velocitat, distància o altitud a sotavent de les serralades de Sierra Nevada, els Alps, els Andes patagònics i els Alps del Sud. El Projecte Perlan treballa per demostrar la viabilitat d'escalar per sobre de la tropopausa en un planador sense motor utilitzant ones de sotavent, fent la transició a ones estacionàries estratosfèriques. Ho van fer per primera vegada el 30 d'agost de 2006 a l'Argentina, pujant a una altitud de 15,460 metres (50,720 ft). El Projecte Ones de Muntanya de l'Organisation Scientifique et Technique du Vol à Voile se centra en l'anàlisi i la classificació globals de les ones de sotavent i els rotors associats, demostrant la seva comprensió amb vols rècord i vols de mesurament de turbulència científica a la vora inferior de l'estratosfera.

Les condicions que afavoreixen fortes ones de sotavent adequades per planejar són:

• Un augment gradual de la velocitat del vent amb l'altitud
• Direcció del vent dins dels 30° de la perpendicular a la carena de la muntanya
• Forts vents de baixa altitud en una atmosfera estable
• Vents de carena d'almenys 20 nusos

La turbulència del rotor pot ser perjudicial per a altres avions petits com ara globus, ales delta i parapents. Fins i tot pot ser un perill per a avions grans; es creu que el fenomen és responsable de molts accidents i incidents d'aviació, com ara la ruptura durant el vol del vol 911 de BOAC, un Boeing 707, prop del Mont Fuji, Japó, el 1966, i la separació durant el vol d'un motor d'un avió de càrrega Boeing 747 d'Evergreen International Airlines prop d' Anchorage, Alaska, el 1993.

L'aire ascendent de l'ona, que permet als planadors pujar a grans altures, també pot provocar pertorbacions a gran altitud en avions de reacció que intenten mantenir un vol de creuer estable en ones de sotavent. L'aire ascendent, descendent o turbulent, dins o per sobre de les ones de sotavent, pot causar un excés de velocitat, pèrdua de control o pèrdua de control.

Altres varietats d'ones atmosfèriques

Ona hidroestàtica (dibuix esquemàtic)

Hi ha una varietat de tipus distintius d'ones que es formen sota diferents condicions atmosfèriques.

• La cisalladura del vent també pot crear ones. Això passa quan una inversió atmosfèrica separa dues capes amb una diferència marcada en la direcció del vent. Si el vent troba distorsions a la capa d'inversió causades per les tèrmiques que pugen des de baix, crearà ones de cisalladura significatives a sotavent de les distorsions que es poden utilitzar per enlairar-se.

• Les ones induïdes per salt hidràulic són un tipus d'ona que es forma quan hi ha una capa inferior d'aire que és densa, però prima en relació amb la mida de la muntanya. Després de fluir sobre la muntanya, es forma un tipus d'ona de xoc a la part baixa del flux i es forma una discontinuïtat vertical pronunciada anomenada salt hidràulic que pot ser diverses vegades més alta que la muntanya. El salt hidràulic és similar a un rotor, ja que és molt turbulent, però no està tan localitzat espacialment com un rotor. El salt hidràulic en si actua com una obstrucció per a la capa estable d'aire que es mou per sobre, desencadenant així l'ona. Els salts hidràulics es poden distingir pels seus núvols enrotllables imponents i s'han observat a la serralada de Sierra Nevada així com a les serralades del sud de Califòrnia.
• Les ones hidroestàtiques són ones que es propaguen verticalment i es formen sobre obstruccions espacialment grans. En equilibri hidroestàtic, la pressió d'un fluid només pot dependre de l'altitud, no del desplaçament horitzontal. Les ones hidroestàtiques reben el seu nom del fet que obeeixen aproximadament les lleis de la hidroestàtica, és a dir, les amplituds de pressió varien principalment en direcció vertical en lloc de l'horitzontal. Mentre que les ones convencionals, no hidroestàtiques, es caracteritzen per ondulacions horitzontals de sustentació i descens, en gran part independents de l'altitud, les ones hidroestàtiques es caracteritzen per ondulacions de sustentació i descens a diferents altituds sobre la mateixa posició del terreny.
• La inestabilitat de Kelvin-Helmholtz es pot produir quan hi ha un cisallament de velocitat dins d'un fluid continu o quan hi ha una diferència de velocitat suficient a través de la interfície entre dos fluids.
• Les ones de Rossby (o ones planetàries) són moviments a gran escala a l'atmosfera la força restauradora dels quals és la variació de l'efecte Coriolis amb la latitud.