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El cruce andino y la onda de montaña.

En la tarde del 13 de abril de 1.918, Luis Cenobio Candelaria, un piloto argentino logró el hito de cruzar la cordillera andina por primera vez. Con avión monoplano de madera Morane Saulnier Parasol y equipado con un motor de 80 HP, tuvo que enfrentarse a fuertes vientos.  Aún desconocían los efectos que esos vientos podían provocar en una aeronave cruzando la cordillera andina. Dichos vientos son el resultado de la onda de montaña.

Año 2.019. Vuelo Madrid – Santiago de Chile.

Nos encontramos en la zona de despacho de nuestro vuelo entre Madrid y Santiago de Chile. Nuestro avión es un A340-600X y estimamos despegar con un peso cercano a las 373 toneladas. Bien distinto al Morane de Candelaria. Durante el briefing, el comandante hace una pregunta que no se hace en el resto de nuestros vuelos de la red: “¿Cómo está el cruce andino?”.

Los Andes es una cordillera que se extiende a lo largo del continente sudamericano, en el lado occidental del continente y junto al océano Pacífico. Tiene una longitud de 8.500 km y una altura media de entre 3.000 y 4.000 metros sobre el nivel del mar. El Aconcagua es su cumbre más alta con casi 7.000 metros. Esta gran muralla natural produce de manera habitual turbulencias, en muchos casos muy severa, debido a un fenómeno llamado onda de montaña. Especialmente en la zona entre Chile y Argentina. Veamos qué es la onda de montaña y cómo prevenirla.

Hoy parece que no habrá muchos meneos. El viento, la temperatura, la diferencia de presión… Volvamos al principio. ¿Para qué estos datos? ¿Qué es la onda de montaña? ¿Por qué tanta preocupación?

Onda de montaña.

Las ondas de montaña son grandes oscilaciones de aire en el lado de sotavento de una gran elevación, resultante de la perturbación de una corriente de aire horizontal sobre un terreno de gran elevación. Dichas perturbaciones pueden alcanzar varios cientos de kilómetros en horizontal y, alcanzar la tropopausa en el plano vertical, por lo que nos podemos hacer una idea de la gran magnitud del fenómeno. Las ondas de montaña llevan asociada turbulencia, desde ligera a muy severa. En otras palabras, cuando sopla viento sobre una elevación, éste se ve afectado, creando oscilaciones en el otro lado de la elevación. Cuando las oscilaciones son muy fuertes, rompen y crean zonas de turbulencias. Por lo tanto, debemos ser conscientes de cómo prevenirla.

Propagación de la onda horizontal y verticalmente.

Para que exista onda de montaña son necesarios algunos factores. El primero, que ya hemos comentado, y más básico de los factores contribuyentes a formarse la onda, es la existencia de un viento que sople de manera perpendicular a la cordillera o montaña. Dependiendo del tamaño de la montaña o cordillera, a partir de 15 a 25 nudos es suficiente.

Además, es necesaria cierta estabilidad atmosférica. Dicha estabilidad provoca que el mismo aire se vea forzado a subir por el lado de barlovento y a descender por sotavento. Al tener el aire cierta estabilidad, se ve impulsado hacia abajo y creando una ondulación en su recorrido. Si esta cantidad de aire alcanza cierta velocidad, como habíamos mencionado anteriormente, provocando la “rotura” de las propias ondulaciones y dar lugar a los “rotores”. Estos rotores son corrientes de aire circulares y son los causantes de la turbulencia severa o extrema. Un caso famoso fue el de un B52 que se vio sorprendido cerca de las montañas rocosas, en la zona de Kansas y perdió el estabilizador vertical. Milagrosamente consiguieron aterrizar de emergencia.

Foto del B52 accidentado en 1.964 (Foto Wikipedia).

Signos visibles.

La onda de montaña no es siempre visible. Si la humedad es suficiente, signos claros de onda de montaña como la nubosidad, la hacen visible. Cuando no, existen diagramas de previsión como el Ábaco de Harrison que, como en los Andes, nos ayudan a prevenir turbulencia.

En el primer caso, al analizar el mapa de vientos a ciertos niveles, podemos ver si hay una componente de viento perpendicular hacia una cordillera y de qué intensidad. Así, podremos prever algo de turbulencia. Si la intensidad del viento es moderada y, existe estabilidad del aire suficiente, la forma de las nubes se “estiliza”, convirtiéndose en un tipo de nubes conocidas como lenticulares. Es habitual encontrar inversión de temperatura en estos puntos. Algunas veces podemos apreciar las diferentes capas de viento de manera que parece como si se pusieran unas nubes encima de otras y de manera estacionaria. Estas nubes son las más significativas y se forman precisamente sobre la cresta de las ondulaciones. Pueden alcanzar los 9 km de altura.

En algunas ocasiones, el lado de barlovento de la cordillera el aire que es forzado a subir por la ladera se condensa (Nivel de Condensación Ascendente), generando gran nubosidad hasta la cresta del tipo Nimbostrato o Cumulonimbus, ocultando parcialmente las nubes lenticulares de las capas inferiores. Es muy probable encontrar engelamiento en estas cotas hasta llegar a sotavento.

Una vez en el lado de sotavento, al verse el aire forzado hacia abajo la nubosidad se disipa (Nivel de Condensación Descendente), generando la llamada muralla de Föehn. Sin embargo, en cuanto se alcanza la parte ascendente de la oscilación, más alejados de la montaña, vuelve a condesar en pequeños cumulitos o cirrus. Si la fuerza del viento rompe las ondulaciones o se generan los rotores, la nubosidad que aparece es una nube que parece en movimiento apareciendo y desapareciendo, dando la sensación de giro o movimiento circular. Son del tipo Cirrus y, de éstas, mantenerse alejado en lo posible ya que las descendencias son mayores que las ascendencias.

Disposición nubosidad en la onda de montaña. (imagen: The Comet Program)

Entre los accidentes documentados debido a este fenómeno, es el de un Bristol 170 Freighter Mk21 (EC-AEG) de la compañía española Aviaco en 1.953, cuando cubría el trayecto entre Bilbao y Madrid. En el Libro de “Meteorología aplicada a la aviación”, los autores Manuel Ledesma y Gabriel Baleriola recogen un fragmento de la carta escrita por el comandante Cañete sobre las condiciones atmosféricas existentes anteriores y durante el accidente. Al leerla, los fenómenos que describe con todo lujo de detalle son coincidentes a los mencionados anteriormente, relacionándolo sin ninguna duda con una onda de montaña.

La cordillera Andina.

Después del Himalaya, los Andes tienen las mayores elevaciones del mundo. El vuelo a través de ellas es un reto diario.

Su cruce hacia/desde Santiago de Chile desde el lado argentino es el más complicado debido a que los factores de los que hemos comentado previamente son significativos. Concretamente entre Mendoza y Santiago, que es la que mayor elevación tiene. De hecho, el pico del Aconcagua se encuentra en esta zona. Los vientos predominantes son procedentes del oeste que, al incidir contra la cordillera aumentan las probabilidades de turbulencia.

Debido a las peculiaridades de la región, se han desarrollado estudios y procedimientos para prever y evitar la onda de montaña. El Ábaco de Harrison es uno de ellos.

El ábaco es simplemente una gráfica de la que obtenemos una referencia de la intensidad de la turbulencia esperada comparando la diferencia de presión (eje de abscisas) entre los dos lados de la cordillera, Santiago de Chile y Mendoza, y el viento a 18.000 pies (eje de ordenadas) en el archipiélago de Juan Fernández, 450 NM al oeste de Santiago de Chile. Es decir, cuanta mayor presión exista en el lado de sotavento y, menor sea en el de barlovento, se incrementará la posibilidad de onda de montaña. Y, cuanta mayor intensidad de viento exista, incrementará el factor de turbulencia.

El resultado se obtiene cuando los dos datos anteriores se cruzan en un punto de la tabla establecido por colores. Cada color significa una intensidad de turbulencia esperada diferente.

Ábaco de Harrison.

Otra manera, menos exacta, pero rápida de determinar, es mediante la comparación de temperaturas y QNH (presión barométrica) entre Santiago de Chile y Mendoza. Si existiera una diferencia de 5º C o más, superior en Mendoza que en Santiago, o si la presión barométrica es superior entre 8 y 12 hPa en Santiago que en Mendoza, existe la posibilidad de turbulencia. Es sencillo y rápido.

En el estudio que dio lugar al ábaco, y en modo resumen, existen circunstancias que, de manera simultánea incrementan las posibilidades de turbulencia en la cordillera andina:

  • Dirección del viento a FL180 entre 280º y 320º;
  • QNH mayor en Mendoza que en Santiago;
  • Oclusión fría en el Archipiélago de Juan Fernández. Sobretodo durante el invierno austral.
  • Temperatura en Santiago inferior que en Mendoza.

No hay duda, que los reportes de los pilotos son necesarios, y en este caso son parte del procedimiento a aplicar al llegar a puntos de ruta determinados. Tras su sobrevuelo, de este a oeste, se notifica al control chileno una serie de datos: Nivel de vuelo, viento encontrado, temperatura y tipo de turbulencia encontrada. Sirven para elaborar información necesaria para los modelos de previsión de onda de montaña. Los aviones muchas veces son estaciones meteorológicas móviles capaces de proporcionar útiles datos atmosféricos.

Para cruzar la cordillera existen cuatro rutas diferentes. El punto por el cual, las probabilidades de encontrar turbulencia severa son mayores es UMKAL, al sur del Aconcagua. En estos casos, lo mejor es desviarse hacia el sur, donde el terreno es menos elevado y cruzarla por el punto ANKON. Otros puntos son MIBAS y ASIMO, más al norte de UMKAL y donde las condiciones suelen ser más favorables. Si se viene del norte, es conveniente cruzar la cordillera más al norte en lugar de proceder hasta ANKON, volando paralelos a la cordillera por el sector “malo” y estar expuestos a turbulencia asociada a la onda.

Rutas alternativas.

¿Cómo evitar la turbulencia?

En el punto anterior hemos comentado la onda de montaña que se produce en el cruce andino entre Mendoza y Santiago de Chile. Sin embargo, existen multitud de ondas de montaña que se producen en el mundo a mayor o menor escala.

Si se hubieran reportado condiciones de turbulencia moderada o, simplemente se observan señales de las anteriormente mencionadas, una huida a tiempo es muy sana. Virar 180º o elegir una ruta alternativa son las mejores soluciones.

Si, por el contrario, te encuentras inmerso en las condiciones de turbulencia, o tras haber evaluado los riesgos has decidido continuar, la velocidad será tu mejor amiga. Mantener una velocidad de turbulencia según el manual de la aeronave es la mejor salvaguarda ante cargas estructurales como son las turbulencias.

La altura es tu otro aliado. Es imprescindible mantenerse a alturas por encima de la parte más alta de la elevación ya que, como hemos mencionado, las nubes rotor, que son las más peligrosas, se encuentran a alturas inferiores a las crestas. No obstante, una altura excesiva puede hacer que la aeronave se encuentre con oscilaciones a gran altura cuyas ascendencias y descendencias son muy peligrosas. Se recomiendan altitudes de unos 25.000 pies que es la zona más segura. Aun así, las ascendencias y descendencias en las que te verás envuelto sugieren llevar los motores “enganchados” para utilizarlos en caso necesario. Algunos manuales sugieren que se desconecte el Autothrust/Autotrottle ya que el tiempo de reacción del sistema puede ser más lento de lo requerido por las circunstancias.

Zonas peligrosas. (Imagen: BOM aeronautics forecaster handbook).

En el caso de la aviación general ligera, además de las precauciones que se han de considerar al volar en zonas montañosas, en caso de onda de montaña hay una regla que ayuda a determinar la distancia desde la montaña que puede ser segura si se vuela en el lado de sotavento. Esto es, la altura de la montaña en pies multiplicada por la velocidad del viento en nudos. Por ejemplo, si la zona montañosa tiene una elevación de 1000 ft, y el viento sopla a 20 kt., serán 20.000 pies de distancia horizontal, unos 6 km.

Llevar pasajeros implica que un buen briefing a la tripulación de cabina para evitar dar servicio en un cruce montañoso significativo. La cabina de pasajeros ha de ser asegurada con tiempo suficiente para evitar desplazamiento de objetos inesperadamente que puede provocar daños personales. Explicar a los pasajeros el objeto de la señal de cinturones es primordial. Sabemos que hay algunos que consideran exageradas las indicaciones y sus consecuencias pueden ser graves.

¡Ah! Y como no, reportar las condiciones a ATC no solo es necesario, es OBLIGATORIO.

En el año 2.009, realizábamos un vuelo entre la ciudad de Bucarest (Rumanía) y Sofía (Bulgaria), en un BAe 146-200QT. A pesar de ser un vuelo carguero típicamente nocturno, nos encontrábamos poco después de amanecer y se podían observar algunas nubes dispersas sobre las montañas Balcánicas, algunas del tipo lenticular, justo al norte de la ciudad de Sofía. Durante el descenso llevábamos viento en cola y el viento en el aeropuerto de Sofía era predominantemente del oeste. Apenas habíamos pasado los 25.000 pies y una mirada cómplice nos hizo ver que habría meneos al cruzar la vertical de la cordillera. Casi de manera automática pedimos al control aéreo mantener nivel y reducir a nuestra velocidad de turbulencia… Unos cuantos meneos moderados nos hicieron darnos cuenta del acierto en las medidas tomadas previamente. Manolo y yo, después de una década aún recordábamos el suceso que, por otra parte, no tuvo ningún tipo de consecuencia. Aterrizamos en Sofia con toda normalidad minutos más tarde.

No todo va a ser malo.

El vuelo en montañas suele ser objeto de múltiples tipos de deportes aéreos como el ala delta o el vuelo sin motor.

Vuelo sin motor.

El mismo viento que provoca la onda de montaña en sotavento, también resulta beneficioso para este tipo de deportes aéreos. En las cercanías de Santiago de Chile existe un aeródromo cercano donde se aprovechan bien los vientos del oeste que soplan hacia la cordillera. En España, en Piedrahita, Ages o Fuentemilanos; Laragne o Lachens en Francia; Monte Cucco en Italia, son entre otros algunos ejemplos donde encontrar este tipo de deporte tan adictivo.


Flying across the Andes. Mountain wave.

In the afternoon of April 13 of 1.918, Luis Cenobio Candelaria, an Argentinian pilot achieved the milestone of flying over the Andes for the very first time. With his wooden made monoplane Morane Saulnier Parasol, mounting an 80 HP piston engine, had to face strong winds. At that time, the results of these winds could cause on an aircraft flying over the Andes were unknown. Mountain wave is the result of these winds.  

Year 2.019. Flight Madrid – Santiago de Chile.

We are in the briefing area in order to prepare our flight from Madrid to Santiago de Chile. Our airplane is an A340-600X and we have an expected take of weight close to 373 tonnes. Quite different to Candelaria’s Morane. During briefing, Captain makes a special question which is not made in other flights: “How is it over the Andes?”

The Andes is very large mountain range which extends along South American continent. On the occidental side of the continent besides Pacific Ocean. It’s 8.500 km long with an average altitude between 3.000 and 4.000 metres above sea level. The Aconcagua is the highest peak with nearly 7.000 metres. This big natural wall causes very often turbulences, severe in certain occasions due to a phenomenon called Mountain wave. Specially in the area between Chile and Argentina. Let’s see what’s the mountain wave is and how to prevent it.

Today looks quite smooth. Wind, temperature, pressure difference… But, let’s go back the beginning. Why is this data necessary? What is the mountain wave? Why should we worry about?

Mountain wave.

Mountain wave are great air oscillations on the leeward side of a high elevation as a result of horizontal air mass movement disturbance over the high terrain elevation. To make a picture of the size of this phenomenon, these disturbances can reach hundreds of kilometres horizontally and to reach tropopause vertically. Mountain wave is associated with turbulence, from light to severe. In other words, when winds blow over an elevation creates oscillations on the other side of the elevation. When oscillations are larger, break off and create areas of turbulence. That’s is the reason why we should know how to prevent it.

Horizonatl and vertical wave movement.

Some factors are necessary for a mountain wave to exists. Already mentioned before, it’s the most contributor factor of all, the existence of perpendicular wind to the mountain range. Depending on size of the elevation, from 15 to 25 knots is sufficient.

It’s also necessary a certain atmospheric stability. Stability forces the air to climb on the windward side of the mountain and it’s also forced to descend on the leeward side. Because of its stability, when it’s “pushed” downward creates a wave on its way. If this air reaches a certain speed, it can break away from the up and down air waves having as result the “rotors”.

Rotors are kind of circular air movement which are the main cause of severe and extreme turbulence. A very famous case was when a B52 of U.S. Air Force was caught close to the Rocky Mountains, in the area of Kansas and lost its vertical stabiliser. Miraculously, they achieved an emergency landing with no further consequences.  

B-52 accidented in 1.964. (Picture: Wikipedia)

Visible signs.

Mountain wave is not always visible. If humidity is enough, clear signs of mountain wave like clouds, makes this possible. When there isn’t, there are diagram to prevent it like Graphic of Harrison in the Andes, so the turbulence could be foreseen.

In first case, when analysing wind chart in different levels, it’s easy to see if there is a perpendicular wind to a mountain range and its intensity, so we can expect some turbulence. If the wind speed it’s moderate and there is enough atmosphere stability, the clouds shape “stylizes”, turning into the well known as lenticular clouds. It’s very usual to find temperature inversion in this area. In fact, we can see sometimes some stationary clouds on top of the others due to different wind layers. These are a very representative type of clouds, and they’re located on the crest of waves. They can reach 9 kilometres high easily.

In some occasions, on the windward side the air is forced to climb the slope of the mountains which condenses, creating cloudiness up to the crest. Nimbostratus and cumulonimbus are the most typical type of clouds, covering totally or partially the lenticular clouds in the lower layers. It’s likely to find icing accretion at these levels before reaching to leeside.

Once on the leeside, the air is forced downward the slope and clouds dispel, creating the Föehn wall or cloud-cascade. However, in the upside of the air wave, a little further away from the mountain, air condenses again creating little cumulus or cirrus type clouds. As mentioned before, if wind is strong enough wave brakes away from the rest of waves and creates rotors clouds. This rotor cloud looks like a twisting movement cloud, causing sensation of circular movement by appearing and disappearing. This type of cloud is Cirrus and, you’d better keep away from them, sinking air prevails over lifts.

Typical Coluds disposition when mountain wave.

Amongst documented accidents due to this phenomenon, took place in Spain in 1.953. A Bristol 170 Freighter Mk21 (EC-AEG) of Spanish airline Aviaco was flying from Bilbao and Madrid when they encountered mountain wave and crashed. In an aviation meteorology book, authors Manuel Ledesma and Gabriel Baleriola, published a letter fragment written by Captain Cañete about weather conditions found flying before, and during accident. Captain describes in great details all weather phenomenon found, relating to mountain wave concepts clearly with no doubts at all.

The Andes mountain range.

After Himalaya, Andes have the highest peaks in the world. To fly over them is a daily challenge.

To fly over Andes to/from Santiago de Chile from the Argentinian side is the most difficult one because all mentioned factors affecting are more significant, specially between Mendoza and Santiago. In fact, Aconcagua, the highest peak is in this area. Prevailing winds, coming from west blow on Andes perpendicularly and increases probability of turbulence.

Due to these local peculiarities, some studies helped to develop procedures to anticipate and to avoid mountain wave. Graphic of Harrison is one of them.

This is a graphic used to obtain a reference of turbulence intensity comparing the pressure difference (abscissa axis) between two sides of mountain range, Santiago de Chile and Mendoza, and wind at 18.000 feet (ordinate axis) in Juan Fernández archipelago located 450 NM west of Santiago de Chile. This is, the greater pressure exists on the leeward side, and the lower in windward side, it’s likely to find mountain wave. Besides this, the stronger wind will increase turbulence factor. The result, obtained combining two previous factors in the graphic, gives three different colours areas. Each colour means an expected different turbulence intensity.

Harrison graphic.

Another way, quicker but less accurate, to determine turbulence, is to compare temperatures and QNH (barometric pressure) between Santiago de Chile and Mendoza. If there was a difference of 5º C or more, higher in Mendoza than in Santiago, or if barometric pressure would be higher in between 8 to 12 hPa in Santiago than in Mendoza, we would have a higher probability to find turbulence. It’s more simple and quicker.

As a summary, studies which gave birth the Graphic of Harrison, there are some factor which when concur at the same time raise probability of turbulence in Andes:

  • Wind direction at FL180 in between 280º and 320º;
  • QNH higher in Mendoza than in Santiago;
  • Cold occlusion in Juan Fernández archipelago. Specially in austral winter;
  • Lower temperature in Santiago than in Mendoza.

There is no doubt a pilot reports are necessary and, in this case is part of the procedure when overflying certain waypoints. When overflying from east to west, a full report to Chilean ATC is given with next information: Flight level, sport wind, temperature and level of turbulence found. This data is gathered to make predictive reports of mountain wave. Airplanes are, sometimes, mobile meteorology stations capable of giving very useful atmospheric data.

There are four main routes to fly over the Andes. The highest probability to find severe turbulence is in the area of waypoint UMKAL, south of Aconcagua. In this case, the better option is to divert south, where the terrain is lower, overflying waypoint ANKON. Other waypoints are MIBAS and ASIMO, north of UMKAL, where conditions are likely to be more favourable.

If the route comes from north, it’s more convenient to overfly the Andes a little more up north instead to fly south to ANKON. Flying parallel to Andes on the “bad” sector would expose your aircraft to turbulence associated with mountain wave.

Alternative routes.

How to avoid turbulence?

In the previous point, we mentioned mountain wave created in Andes between Mendoza and Santiago de Chile. However, there are plenty of mountain waves around the world in bigger or lesser scale.

If there would have been reported moderate to severe turbulence, or just some of the previous mentioned visual signs would have been sighted, to scape is a very healthy procedure. Turn 180º or choose an alternate route are the best solutions ever.

By the contrary, if you’re surprised by turbulence, or after a risk analysis you have decided to continue, speed will be your best friend. To keep turbulence speed according to your airplane flight manual, is the best safeguard to keep the structural integrity to high loads caused by turbulence.

Altitude is your ally. Is mandatory to keep at altitudes above the highest peak of mountains. As we mentioned before, rotor clouds are the most dangerous and found at a lower altitude than crests. However, if altitude is too high, the aircraft could encounter high altitude waves with very dangerous lifts and sinks. It is then recommended to fly at altitudes around 25.000 feet which is the safest zone. Even though, lifts and sinks you’d be flying through, suggest keeping thrust power above flight idle to use it in case was necessary. Some flight manuals recommend to disconnect Autothrust/Autotrottle because in certain circumstances system time reaction is longer than required.

Dangerous areas. (picture: BOM aeronauctics forecast handbook).

In light general aviation, besides precautions that have to be taken when flying in high terrain, in the mountain wave case, there is a rule of thumb which helps to determine the safest distance from the mountain to fly away from mountain wave when flying on the leeward side. This is, the elevation of mountain in feet multiplied by wind speed in knots. For example, if the mountain is 1.000 ft high, and wind speed is 20 kt., 20.000 ft (around 6 km) will be the minimum safest horizontal distance.

Carrying passengers means a special briefing to cabin crew is needed when turbulence from mountain wave is expected. The cabin must be secured in advance to avoid unexpected movement of objects which may cause personal injuries. Explaining to passengers the reason of “fasten seatbelts” sign is crucial. We know, some passengers consider excessive our indications of seatbelts use, but we also know that consequences are very serious.  

Ah! To report ATC is not only necessary but MANDATORY, by the way.

In 2.009, we were flying between cities of Bucharest (Romania) and Sofia (Bulgaria) on a Bae146-200QT. In spite it was a cargo flight, typically flown night, we were flying just after sunrise and we could observe some lenticular clouds scattered over the Balkan Mountains, north of Sofia. During descent we’re having some tailwind and winds at Sofia were westerly. We were just passing 25.000 feet and we complicit gazed each other when we realised flight would be a little bumpy over the mountain range. Automatically we ask ATC to stop descending and to reduce speed to our turbulence’s one… Some moderate jerks later on, gave us the impression we took the correct measures. Manolo and I, after more than a decade later, we still remember what happened. With no further consequences we normally landed minutes later in Sofia, by the way.  

It was not all bad, after all.

Flying over mountains or high terrain is the target of some air sports such as hang-gliders or gliders.

Flying gliders.

The wind which helps to create the mountain waves on the leeward side, is the same wind which creates the right conditions to practice this kind of air sports. Near Santiago de Chile there’s an aerodrome where the gliders take the advantage of the westerly winds when blowing towards the mountain range. In Spain, in Piedrahita, Ages or Fuentemilanos; Larange or Lachens in France; Monte Cucco in Italy, are clear examples where to find this addictive air sports.