ERRORES EN LA BOCA DEL PLUVIÓMETRO

¡¡¡ Un problema que incomprensiblemente, hasta ahora, siempre había pasado desaprecibido !!!

(Es continuación de: Posibles errores en los Pluviómetos

14.- ARO CALIBRADO

Este apartado se publica con dos años de diferencia respecto al resto del escrito, pues requería una necesaria comprobación práctica. Responde a una idea antigua referente a las comparativas observacionales que, por cierto, algunas se remontan a principios del siglo pasado y que en estas últimas épocas de Internet vienen siendo reiteradas permanentemente en los foros, como no podía ser de otra manera, dada la universalidad adquirida.

Nos estamos refiriendo a las diferencias que, a veces, existen entre unos pluviómetros y otros, dentro de la misma parcela, que no son fácilmente explicables pues no responden a secuencias ni estructuras lógicas por lo que, algunas veces, en las redes, aparece la descalificación correspondiente sobre uno: "marca de menos, es muy malo,..." pero, ¿Pudiera ser que fuera el otro, el que "marca de más"?.

Algunos de los posible errores propios de los pluviómetros, los hemos analizado más arriba, pero nos ha quedado pendiente que la boca calibrada pudiera de alguna manera influir en flujo de la precipitación de entrada, y esto, es de lo que queremos tratar.

Datos Previos:

En primer lugar, vamos a recurrir a la Organización Meteorológica Mundial (OMM) que en su Guía de Instrumentos  y Métodos de Observación número 8 de 1961, repetida en varias ediciones posteriores, por ejemplo Edición de 1996, octubre de 2002, etc.)  Describe:

6.3.1.1. Pluviómetros.  
a) The rim of the collector should have a sharp edge and should fall away vertically inside and be steeply bevelled outside; ( steeply = profundo, pronunciado, exagerado, empinado,...).

a) la boca del colector debe tener un borde afilado, siendo la vertiente interior siempre vertical y la exterior con un “profundo” biselado";

(Obsérvese que no especifica el grado de la pendiente ni tampoco el material con el que debe estar construido el pluviómetro).

Lo que describe la OMM no es otra cosa que un aro calibrado, similar al del pluviómetro de policarbonato, cuyo corte mostramos en la figura, en donde se puede apreciar la pared vertical interna y la pronunciada pendiente exterior de 80º. (Este perfil se puede apreciar fotográficamente en la figura del párrafo: “5.-Pérdidas por Rebotes” visto anteriormente).

Muchos autores han descrito, este aro, como “filo cuchillo”, por citar uno:  “... anillo biselado y cortante ... cuyo fin es evitar salpicaduras y que la gota que cae en el borde quede partida, yendo dentro solo la parte interceptada por la boca.” (José Tapia Contreras. Apuntes sobre Instrumentos Meteorológicos. S.M.N 1974.).

Desde hace algún tiempo, el canto vivo y afilado del aro “capaz de cortar la gota en dos” viene siendo sustituido por un entallamiento con un cierto ángulo a. Perfil que se muestra en la figura y que como vemos carece de la necesaria pared interior vertical y el “profundo biselado” exterior se traduce en un plano inclinado, a veces, poco pronunciado.

Por otra parte, AEMET especifica rotunda y claramente en  todas sus Condiciones Técnicas: “El área de recogida será circular, de 200 cm2. A tal fin constará, en la parte superior del pluviómetro, de un aro de latón, “torneado” a canto vivo, para garantizar la inalterabilidad de la superficie receptora.” (R.A.E.; Torneado = mecanizado con torno).

Pero ocurre, que la condición expresada por la frase  “aro de latón torneado a canto vivo”  es legendaria, pero inane, ya que hace décadas que los pluviómetros que compran no llevan el citado aro. Igualmente, desde la misma época se reitera,  “el pluviómetro será de metal”, lo cual cierra el paso a otras opciones más modernas, baratas, ecológicas y duraderas, extraordinariamente competitivas respecto a los cada vez más escasos recursos naturales.

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El problema.

Una vez conocidas las directrices que los organismos competentes tienen establecidas sobre los pluviómetros, ha llegado el momento de buscar el motivo del origen de las diferencias "inexplicables". Después del analisis detallado que se exponen a lo largo de este trabajo, un buen candidato podría ser, que el viento fuera capaz de empujar las gotas que se encuentran en el plano inclinado de la boca del colector y las pudiera colar dentro del pluviómetro, aumentando así la precipitación; si esto fuera cierto, el interrogante planteado quedaría resuelto.

-¿Es esto posible?- En primer lugar vamos a aplicar la lógica. Con un poco de imaginación, vamos a soldar a la boca de un pluviómetro, una superficie horizontal plana,  todo lo que se quiera de grande. (figura A) Con un artilugio así, se comprende fácilmente que el viento colaría una parte del agua depositada sobre esta superficie plana. Si esta superficie plana la vamos bajando poco a poco, evidentemente parece posible que el viento pueda subir las gotas representadas en las figuras y colarlas en el pluviómetro. Naturalmente, cada vez con más dificultad a medida que la pendiente va siendo más pronunciada, siendo en el caso  F enteramente imposible. Luego podemos admitir, que entre estos dos extremos A y F distantes 90º deberán existir innumerables posiciones, B,C,D,E, siendo una de ellas la de 45º que por estar precisamente en el punto medio, la consideramos idonea para tomarla como punto de partida en el análisis a realizar. También, para este estudio, es necesario asignar un valor a la anchura de la pendiente por lo que, para hacer los cálculos, lo fijaremos en 2 cm. Por supuesto, cuando la solapa sea de mayor o menor tamaño habrá que hacer las correciones oportunas.

En la figura se muestra un plano inclinado y la descomposición de fuerzas del vector viento V que se descompone en dos vectores, uno normal al plano inclinado Vn = V.sen a, que tiende a estrujar la gota contra el plano, y otro paralelo a este, Vt = V.cos a, (1) que tiende a empujar la gota hacia arriba. ( a es la inclinación de la cuesta y en la figura hemos puesto 45º)
Hay otras fuerzas que también actúan sobre esta gota, como son las de adherencia y gravedad que se suman o restan a las anteriores modificándolas en cierta medida, pero para un plano de 45º podemos considerar poco trascendentes respecto a la fuerza del viento. Solo por dar unos números orientativos, la gota más gorda que se puede producir es de 0,2 gr por lo que la componente de la fuerza gravitatoria la empuja cuesta abajo en el plano inclinado es de unas 70 dinas, mientras que un viento flojito de 20 Km/h,  durante 1 segundo, produce en esta misma gota una fuerza hacia arriba de unas 180 dinas. Como vemos, para este viento tan flojo, aun  hay un margen de 110 dinas, más que suficiente para hacer subir la gota.

Respecto a las componentes de las fuerzas perpendiculares al plano,  ocurre que la primera capa se adhiere fuertemente a los poros del material o de la pintura, pero las capas sucesivas van a crear una lamina que lubrifica la superficie haciendo más débil el rozamiento facilitando, por tanto, el deslizamiento hacia arriba lo que confirma el razonamiento intuitivo anterior.

El caso que nos ocupa es algo más complicado que este simple plano inclinado, ya que se trata de una superficie troncocónica sobre la que la distribución de fuerzas es diferente, por lo que para su mejor comprensión, es preferible ayudarse de alguna  fórmula,  ya que de todos es sabido que las formulaciones matemáticas ponen orden allí donde a la mayoría de los mortales la mente no nos sigue.

Sobre esta superficie cónica (troncocónica), la fuerza del viento se descompone en una componente capaz de empujar la gota hacia arriba y en otra que hacen rodar la gota hacia los laterales circulares. Vamos a llamar Vs = f(V), (2) (una función del viento)  al vector resultante capaz de empujar la gota hacia arriba, esto es, hacia la boca del pluviómetro.

Para facilitar las ideas, en todo este estudio vamos a considerar siempre que el viento está generado por un túnel  y, por tanto, podemos disponer de un flujo tridimensional regulable a voluntad, e incluso, producir laminas ideales cuyos vectores incidan en el plano que deseemos como las púas de un peine. (Ver fig. 14.6 ) Vamos a arrancar una púa de este peine ideal y a aplicarla como un vector V en el punto A (exactamente sobre la generatriz), entonces, se formará el vector tangencial Vt(A) que se mantendrá sin desviarse ni a derecha ni a izquierda, pero en cuanto se aplique en un punto infinitamente próximo al A, ocurrirá que el modulo de Vt será el mismo, pero no la dirección, ya que ésta sufrirá una inclinación ocasionada por la panza del tronco de  cono y, por tanto, este nuevo vector Vt inclinado es susceptible de ser descompuesto a su vez. Por tanto, cuando actúa en el punto A´  vendrá disminuido por el coseno del ángulo b que hay entre A y A´  y esta disminución continuará en los puntos A´´, A´´´, etc. Como hemos dicho, en cada uno de estos puntos, cada nuevo vector Vt, se descompone en:  Vs, que trepa hacia arriba y que vale Vs = Vt.cos b (3) y  Vh = Vt.sen b (4) que tiende a deslizar la gota horizontalmente. (Quede claro que  b es el ángulo entre A y A´ y que va adquiriendo los valores b´,b´´, b´´´,... a medida que se va alejando del punto A, y que a es el ángulo de la cuesta). Pero (por la formula 1) como Vt = V.cos a, tenemos que de (3):

Vs = V.cos a.cos b, que es la función (2) f(V) que buscábamos

y que es el vector resultante capaz de empujar la gota hacia arriba. (Cqd)

De la que queremos obtener algunas consecuencias; algunas tan elementales que nos da un poco de reparo el exponerlas.

1ª.- Cuando a = 0, caso mostrado en la figura A, en que se ha soldado una superficie horizontal a la boca del pluviómetro, también b = 0, por lo que sus cosenos valen la unidad, por tanto Vs = V, lo que ya habíamos admitido por simple lógica.

2ª.-  Cuando a = 90º (fig F caso limite contrario al anterior) su coseno es cero, lo que implica que Vs = 0,  lo que significa que en una pared vertical no hay movimiento alguno hacia arriba de las gotas.
 
3ª.-  Cuando es a muy grande, por ejemplo 80º, (caso del pluviómetro de policarbonato)  el coseno es tan próximo a cero que los valores de Vs son despreciables en  cualquier condición de viento y por tanto resulta prácticamente imposible que una gota pueda trepar hacia arriba.

4ª.- Cuando a = 45º (caso que nos ocupa), se convierte en una constante y  podemos sustituir  cos 45 = 0.7 con lo que nos queda:
Vs = 0.7 V. cos b = f(V). Valor que buscabamos y que representa el vector resultante capaz de empujar la gota hacia arriba, esto es, hacia la boca del pluviómetro.

Hemos visto, que prácticamente todos los errores referentes a la precipitación son negativos, esto es, restan precipitación a la real. Pero el caso que nos ocupa sucede  al contrario ya que tiende a aumentar la precipitación recibida, lo cual, pudiera dar lugar a pensar que estamos de suerte ya que de alguna manera pudiera compensar o contrarrestar parte de los otros errores, especialmente del viento, que como sabemos es enorme. El razonamiento no lo encontramos muy acertado, pues un error, aunque sea de signo contrario sigue siendo un error y lo único que puede hacer es enmarañar aún más la estructura caótica de las medidas. De cualquier forma: Es necesario averiguar si esta hipotética cantidad de agua compensatoria, debida a los 45º,  adquiere en algún momento una magnitud comparable a la recibida por el pluviómetro y, por tanto, capaz de compensar la disminución  de la precipitación debida al viento.

Si el punto A de antes Fig. 14.6, es un punto cualquiera entre PG de la superficie troncocónica, deducimos que a medida que nos vamos apartando del punto A en el plano paralelo definido por A´, A´´, etc, o lo que es lo mismo, cuando el ángulo b se va haciendo más grande, Vs se va haciendo más pequeño consecuencia de que (formula 4 ) Vh = Vt.sen b se va haciendo más grande, gastando la energía lateralmente, que como hemos visto, hace disminuir Vs, como se puede apreciar en los vectores en rojo de la Fig. 14.7. Poniendo la punta de la flecha de estos vectores Vs, así constituidos, en el borde de la circunferencia de la boca del colector y uniendo todos los finales (la pluma de la flecha) de los vectores, se formará una línea curva que no es otra cosa que una elipse, que se corresponde con un plano inclinado que corta al cono (superficie troncocónica)  por los puntos de la pluma de la flecha de estos vectores.

Si consideramos la superficie troncocónica lo suficientemente grande para poder dibujar las curvas, Fig. 14.8 se demuestra, que las superficies engendradas son una especie de media luna truncada por los extremos, que vamos a llamar Ss, cuyas áreas son idénticas para cada vector unitario Vt , hecho importante, ya que esta proporcionalidad implica que su gráfica es una línea recta.

Vamos a suponer que, en el pluviómetro de  45º, la generatriz de  la  superficie  troncocónica tiene 2 cm, por lo que en el borde de la boca del colector, con vientos muy débiles, la superficie generada por las gotas que puedan deslizarse hacia  arriba será de una “media luna”  muy delgadita, pero a medida que el viento aumente  enseguida estas superficies van a verse limitadas por el borde de los 2 cm, alcanzando así la máxima superficie posible, independientemente de lo fuerte que pueda soplar el viento. Hemos calculado que ésta superficie máxima puede llegar a valer unos 18 cm² y se alcanza para un viento realmente flojo, una brisa moderada, intuitivamente Beaufort estima en torno de los  25 Km/h.

Vamos a representar esta superficie (eje ordenadas) de media luna Ss variable en función de la velocidad del viento (eje abcisas en Km/h). (Ver Fig.)  tiene por valor inicial cero y va aumentando a medida que sopla el viento hasta alcanzar un valor máximo de 18 cm². Por otra parte, vamos a dejar constante la superficie colectora S = 200 cm², aunque ya hemos visto que en la práctica no lo es, ya que al recoger menos precipitación por causa del viento, es como si la boca disminuyera; pero como hemos analizado en el apartado de viento, no es posible encontrar una función que sea capaz de representar esta disminución. Por ese motivo, nos hemos limitado a señalar con puntos la zona de posible incertidumbre para la superficie S, en función del viento, advirtiendo que no tiene por que ser exacta, simplemente, intuimos que puede responder a algo similar.

De la simple observación de las dos graficas S y Ss se deduce que, la separación entre las curvas, implica que las hipotéticas compensaciones carecen de sentido y, en cambio, introducen un ruido que enmascara las ya de por si  caóticas medidas de la precipitación.

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Comprobación práctica.

Un estudio no se puede considerar completo si solo se contempla desde el punto de vista teórico, por muy clarificador que éste pudiera parecer, por eso, hemos llevado  a cabo las observaciones necesarias.

Para hacer las comprobaciones, hemos empleado un procedimiento consistente en hacer desaparecer el "efecto pendiente", para lo cual fabricamos un artilugio al que denominamos  “corona” (calibrada a 200 cm²) y como una imagen vale más que mil palabras, mostramos la foto, cuya sola vista muestra su cometido y que no es otro que al ser colocada, con silicona, sobre la pendiente de los 45º  esta inclinación desaparece al ser sustituida por un tubo vertical. (Lo hemos llamado corona, permítasenos la broma, por lo cara que resultó).

El procedimiento, está encaminado a buscar las diferencias de precipitación entre pluviómetros con pendiente 45º y los de pendiente 80º. Durante un tiempo, los pluviómetros han funcionado tal cual, hasta obtener un número de datos suficientemente representativo. Pasado este tiempo, colocábamos la corona sobre el de 45º y la manteníamos así  hasta adquirir otra muestra suficiente, repitiendo el ciclo en ubicaciones diferentes.

Para la confección  de las gráficas, hemos englobado todos los datos con independencia del lugar en donde han sido obtenidos y tomado solamente las diferencias entre observaciones ya que son imposibles de representar, en la misma escala, ordenes tan diferentes como 90  y 0,1 litros.

En el eje de abscisas se representan las diferencias obtenidas, en décimas de mm, entre los dos pluviómetros (45º menos 80º, por este orden respecto al signo), mientras que  el de ordenadas aparecen las observaciones.

En la Fig.14.10, se muestran las diferencias de las precipitaciones obtenidas  sin corona, en donde aparece una clara desviación que corrobora  que, con la pendiente de 45º se recoge más agua que con la pendiente de 80º. Como ha quedado matematicamente demostrado más arriba.

La grafica Fig.14.11, muestra las diferencias de las observaciones una vez puesta la corona, esto es, cuando ha desaparecido el efecto de la pendiente y en donde se observa que la desviación es prácticamente nula, por lo que los datos obtenidos pueden considerarse similares a los que obtendríamos a partir de dos pluviómetros idénticos, colocados a la misma altura y separados unos pocos metros.

Como hemos indicado anteriormente, el error producido por pendientes del aro de la boca poco pronunciadas es grande. Cuando no se sabía el motivo, en los foros se llegaron a publicar diferencias superiores a los 60 cm3 en una sola sesión de lluvia pero en posteriores observaciones estas diferencias han sido ampliamente superadas. Sería conveniente tomar conciencia de que, si este error existe y contamina nuestras observaciones, no se puede ignorar.

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Nos sentimos obligados a recomendar que, estas gráficas no deben servir para sacar conclusiones drásticas  y mucho menos aplicar correcciones a las observaciones reales, ni pensar en la posibilidad de extraer algún coeficiente correctivo.

Para mayor claridad, vamos a explicar lo que queremos decir con algún ejemplo práctico. Entre las medidas reales que hemos obtenido vamos a elegir un par de ellas al azar;  3,2-2,8 = 0,4  y  50,3-49,6= 0,7 litros (datos del 45º, 80º y diferencias, respectivamente). Si hacemos las reglas de tres correspondientes 3,2/0,4 = 50,3/x  en donde x = 6,28, pero vemos que en la observación real el dato es muy diferente  0,7, y de ninguna manera proporcional. De la misma forma, llegaríamos a otro absurdo si partimos del dato de 50,3.

Insistimos en que, estos incoherentes resultados, muestran lo disparatado que sería intentar cualquier tipo de ajuste en las observaciones y me remito a lo que hemos repetido en infinidad de ocasiones; la naturaleza absolutamente caótica del campo en que nos movemos.

Puede que hayan quedado pendientes de ser ampliadas algunas situaciones prácticas,... las precipitaciones intensas con vientos fuertes, las precipitaciones duraderas y tenues, las que son en forma de nieve,... seguramente con más medios y registros gráficos se pudieran obtener resultados interesantes, pero esto, no está  a nuestro alcance. Lo que si podemos es ofrecer la “corona calibrada” a cualquier Institución que pueda sentirse motivada en el tema.

Abril de 2015.

P.D (2017)

El día 23 de marzo de 2017, como todos los años, AEMET conmemoró el Día Meteorológico Mundial y como es excelente costumbre, homenajeó a Colaboradores Voluntarios como reconocimiento a su meritoria labor a la cual nos sumamos por su magnífica y altruista dedicación a lo largo de tantos años, que incluso, como es el caso, pasan el testigo de una generación a otra: Nuestras felicitaciones más sinceras.

Esta familia galardonada aún usan uno de los pluviómetros que mandaba confeccionar  el antiguo SMN (Servicio Meteorológico Nacional) cuya fotografía incluimos. En él se puede apreciar el pronunciado perfil de la boca que nos enseñaron nuestros maestros, lo cual evita, como hemos demostrado a lo largo de este articulo, errores considerables en la medida de la precipitación.

Al leer este interesante reportaje nos ha resultado especialmente familiar esta frase: “...Junto a ese viejo pluviómetro hay otro más moderno, pero Melcior comenta que las mediciones del antiguo no coinciden exactamente con las del moderno, y por mantener la homogeneidad de la serie, y seguramente por razones sentimentales, él prefiere seguir haciendo las medidas en el antiguo...”

El contraste de estas numerosísimas medidas constituye un valor incalculable y han sido enviadas, mes tras mes, durante muchos años, a una base de datos. ¡Así de fácil!.

https://aemetblog.es/2017/04/03/premio-nacional-de-observacion-2017-familia-rovira-monfort/

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