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11.9: Cómo los flujos cinemáticos mueven el aire verticalmente - Geociencias

11.9: Cómo los flujos cinemáticos mueven el aire verticalmente - Geociencias


Ahora que sabemos cómo separar las partes media y turbulenta, podemos mirar el concepto de flujo cinemático. Generalmente en meteorología, nos preocupamos por variables como masa, calor (es decir, temperatura), energía cinética, humedad, momento. Quienes estudian la composición de la atmósfera también están interesados ​​en el flujo de sustancias químicas emitidas a la atmósfera desde la superficie y el flujo de contaminantes atmosféricos, como el ozono, de regreso a la superficie de la Tierra. Para esta discusión, consideremos solo los flujos directamente relevantes para la meteorología.

Entonces, las unidades Sl de los siguientes flujos serían ( mathrm {kg} mathrm {m} ^ {- 2} mathrm {s} ^ {- 1} ) para masa ((m) ) ( mathrm {kg} _ { text {agua}} mathrm {m} ^ {- 2} mathrm {s} ^ {- 1} ) para la humedad ( left (m_ {y} right); left ( mathrm {kg} , mathrm {m} mathrm {s} ^ {- 1} right) mathrm {m} ^ {- 2} mathrm {s} ^ {- 1} = mathrm {kg} , mathrm {m} ^ {- 1} mathrm {s} ^ {- 2} ) para impulso ((mv), ) y ( mathrm {J} mathrm {m } ^ {- 2} mathrm {s} ^ {- 1} ) para calor ( left (m c_ {p} T_ {v} right) ) o ( mathrm {W} mathrm { m} ^ {- 2} ) (como radiación).

Podemos escribirlos en forma cinemática dividiéndolos por la densidad del aire:

  • masa cinemática ( mathrm {flujo} = left ( mathrm {kg} , mathrm {m} ^ {- 2} , mathrm {s} ^ {- 1} right) / left ( mathrm {kg} , mathrm {m} ^ {- 3} right) = mathrm {m} mathrm {s} ^ {- 1} )
  • humedad cinemática ( mathrm {flujo} = left ( mathrm {kg} _ { text {agua}} mathrm {m} ^ {- 2} mathrm {s} ^ {- 1} right) / left ( mathrm {kg} _ { text {air}} mathrm {m} ^ {- 3} right) = mathrm {kg} _ { text {agua}} mathrm {kg} _ { text {aire}} ^ {- 1} mathrm {ms} ^ {- 1} )
  • momento cinemático ( mathrm {flujo} = mathrm {kg} mathrm {m} ^ {- 1} mathrm {s} ^ {- 2} / left ( mathrm {kg} mathrm {m} ^ {-3} right) = mathrm {m} ^ {2} mathrm {s} ^ {- 2} )

Para flujo de calor cinemático, el flujo de calor generalmente se divide por la densidad del aire por el calor específico del aire para obtener unidades de ( left ( mathbf {J} mathbf {m} ^ {- 2} mathbf {s} ^ {- 1 } right) / left ( mathbf {k} mathbf {g} mathbf {m} ^ {- 3} mathbf {J} mathbf {k} mathbf {g} ^ {- 1} mathbf {K} ^ {- 1} right) = mathbf {K} mathbf {m} mathbf {s} ^ {- 1}. ) Tenga en cuenta que esto es solo una temperatura multiplicada por una velocidad.

La palabra "cinemática" a menudo se descarta y se asume.

Veamos el flujo de calor cinemático en la dirección vertical. Además, nos interesa el transporte vertical de energía térmica, por lo que no queremos pensar en la variación adiabática de temperatura debido al movimiento vertical, ya que la temperatura de una parcela de aire disminuye con la altura incluso en ascenso adiabático. Podemos lograr esto usando la temperatura potencial y no la temperatura virtual, que cae con la altura adiabáticamente mientras que la temperatura potencial es constante con la altura. θ no es igual T excepto a 1000 hPa, por lo que debemos tenerlo en cuenta.

Escriba la expresión para el flujo vertical de temperatura potencial, que es igual al viento vertical multiplicado por la temperatura potencial, y luego tome el promedio de Reynolds de ese flujo:

[ overline {w theta} = bar {w} bar { theta} + overline {w ^ { prime} theta ^ { prime}} ]

El primer término de la derecha es el flujo vertical de temperatura potencial debido al movimiento vertical promedio, pero w ~ 0 en promedio en la capa límite, por lo que generalmente podemos eliminar el primer término a la derecha.

Consideremos cómo funciona este flujo en el movimiento de energía térmica. Una condición típica para la capa límite mixta es una capa superadiabática cerca de la superficie calentada (es decir, θ disminuye con la altura).

Veamos los diferentes casos.

Caso diurno con calentamiento de superficie tal que ( partial theta / partial z <0 ) (como en la figura anterior). Los remolinos pueden hacer que el comercio aéreo sea un lugar. Mueven algunos paquetes de aire hacia abajo,

para [w ^ { prime} <0 ] y [ theta ^ { prime} <0: overline {w ^ { prime} theta ^ { prime}}> 0 ]

y al mismo tiempo subir algo,

para [w ^ { prime}> 0 ] y [ theta ^ { prime}> 0: quad overline {w ^ { prime} theta ^ { prime}}> 0 ]

Ambos procesos ocurren simultáneamente. Si los paquetes de aire se mezclan en sus nuevas alturas, mueven el aire más frío hacia abajo (panel izquierdo arriba) o el aire más caliente hacia arriba (panel derecho arriba) y, en ambos casos, mueven el calor hacia arriba. Por lo tanto, cuando la temperatura potencial disminuye con la altura (es decir, es superadiabática), los remolinos turbulentos mueven el aire más caliente hacia arriba y el flujo de calor es positivo.

Caso nocturno con enfriamiento de superficie tal que ∂θ / ∂z> 0∂θ / ∂z> 0 (consulte la figura anterior). Los remolinos hacen que los paquetes aéreos cambien de lugar verticalmente. Mueven algunos paquetes de aire hacia abajo,

para [w ^ { prime} <0 ] y [ theta ^ { prime}> 0: overline {w ^ { prime} theta ^ { prime}} <0 ]

y algunos arriba,

para [w ^ { prime}> 0 ] y [ theta ^ { prime} <0: quad overline {w ^ { prime} theta ^ { prime}} <0 ]

Ambos procesos ocurren simultáneamente. Si los paquetes de aire se mezclan en sus nuevas alturas, mueven el aire más caliente hacia abajo (panel izquierdo arriba) o el aire más frío hacia arriba (panel derecho arriba) y, en ambos casos, mueven el calor hacia abajo. Por lo tanto, cuando la temperatura potencial aumenta con la altura (es decir, es subadiabática), los remolinos turbulentos mueven el aire más caliente hacia abajo y el flujo de calor es negativo.

Vemos que por movimientos turbulentos, la energía térmica tiende a fluir desde una temperatura media más alta a una temperatura media más baja, o para decirlo de otra manera, por el gradiente del valor medio.

Entonces, el flujo de calor ( overline {w ^ { prime} theta ^ { prime}} ) nos informa sobre el transporte de energía térmica por remolinos.

Tenga en cuenta que el transporte está en la dirección de los valores más altos a los valores más bajos para la temperatura potencial media. El flujo de calor es la forma en que el calor sensible se transfiere a la troposfera libre en el balance energético de la atmósfera. El flujo de calor combinado con el flujo de humedad crea condiciones que pueden conducir a tormentas eléctricas y clima severo.

Vea el siguiente video (1:49) para una mayor discusión sobre el flujo de calor de remolino:

Flujo de calor de remolino

Haga clic aquí para ver la transcripción del Eddy Heat Flux.

Los flujos de remolinos son uno de los conceptos más importantes en la capa límite planetaria porque son responsables de la mayor parte del transporte vertical de todo en la capa límite planetaria, tanto las cosas que salen de la superficie como las cosas que regresan a la Tierra. En la horizontal, los vientos medios hacen la mayor parte del transporte. Pero en la vertical, los remolinos hacen la mayor parte del transporte. Veamos el transporte de temperatura potencial, que es lo mismo que el transporte de energía térmica o calor. Considere primero un perfil de temperatura potencial corporal súper turbulento, es decir, uno en el que la temperatura potencial disminuye con la altura. Obtenemos este tipo de perfiles en días calurosos y soleados. Por lo general, los remolinos hacen circular un poco de aire hacia abajo y otro hacia arriba. Una parcela de aire reciclada es más cálida que el aire circundante, por lo que la perturbación de la temperatura potencial, que es solo la diferencia entre la temperatura potencial de la parcela menos la temperatura potencial del aire circundante, es positiva. La perturbación del viento vertical también es positiva, ya que el paquete de aire está subiendo. De modo que el producto de w prima y theta prima es positivo. El remolino también mueve el aire más frío hacia un entorno más cálido. Entonces, la perturbación negativa del viento vertical trae una perturbación negativa a la temperatura potencial, y el producto de que estas dos perturbaciones, dos negativas, es positivo. Tomando estas dos partes del remolino juntas, vemos que el aire frío ha reemplazado al aire caliente en la altura más baja, y el aire más cálido ha reemplazado al aire más frío a la altura mayor, y por lo tanto el flujo de los remolinos es hacia arriba. Convénzase de que todos los dibujos de la figura 11.6 dan un flujo de calor descendente.


Ver el vídeo: Principios de Conservación de la Masa y Explicación del Flujo de Aire