En dinámica de fluidos , la baroclinidad (a menudo llamada baroclinicidad ) de un fluido estratificado es una medida de cuán desalineado está el gradiente de presión del gradiente de densidad en un fluido. [1] [2] En meteorología, una atmósfera baroclínica es aquella cuya densidad depende tanto de la temperatura como de la presión; contrasta esto con una atmósfera barotrópica , para la cual la densidad depende solo de la presión. En términos atmosféricos, las zonas barotrópicas de la Tierra se encuentran generalmente en las latitudes centrales o trópicos , mientras que las áreas baroclínicas generalmente se encuentran en las regiones polares / de latitud media. [3]
La baroclinidad es proporcional a:
que es proporcional al seno del ángulo entre superficies de presión constante y superficies de densidad constante . Por lo tanto, en un fluido barotrópico (que se define por baroclinidad cero), estas superficies son paralelas. [4] [5] [6]
Las áreas de alta baroclinidad atmosférica se caracterizan por la formación frecuente de ciclones . [7]
Inestabilidad baroclínica
La inestabilidad baroclínica es una inestabilidad dinámica fluida de fundamental importancia en la atmósfera y en los océanos . En la atmósfera, es el mecanismo dominante que da forma a los ciclones y anticiclones que dominan el clima en las latitudes medias. En el océano genera un campo de remolinos de mesoescala (100 km o menos) que desempeñan diversas funciones en la dinámica oceánica y el transporte de trazadores .
Si un fluido cuenta como rotación rápida se determina en este contexto por el número de Rossby , que es una medida de qué tan cerca está el flujo de la rotación del cuerpo sólido. Más precisamente, un flujo en la rotación de un cuerpo sólido tiene una vorticidad que es proporcional a su velocidad angular . El número de Rossby es una medida de la desviación de la vorticidad de la de la rotación del cuerpo sólido. El número de Rossby debe ser pequeño para que el concepto de inestabilidad baroclínica sea relevante. Cuando el número de Rossby es grande, otros tipos de inestabilidades, a menudo denominadas inerciales, se vuelven más relevantes. [ cita requerida ]
El ejemplo más simple de un flujo estratificado de manera estable es un flujo incompresible con densidad que disminuye con la altura. [ cita requerida ]
En un gas compresible como es la atmósfera, la medida relevante es el gradiente vertical de la entropía , que debe aumentar con la altura para que el flujo se estratifique de manera estable. [ cita requerida ]
La fuerza de la estratificación se mide preguntando qué tan grande debe ser la cizalladura vertical de los vientos horizontales para desestabilizar el flujo y producir la inestabilidad clásica de Kelvin-Helmholtz . Esta medida se llama número de Richardson . Cuando el número de Richardson es grande, la estratificación es lo suficientemente fuerte como para evitar esta inestabilidad por cizallamiento. [ cita requerida ]
Antes del trabajo clásico de Jule Charney y Eric Eady sobre la inestabilidad baroclínica a fines de la década de 1940, [8] [9] la mayoría de las teorías que intentaban explicar la estructura de los remolinos de latitudes medias tomaban como puntos de partida el número alto de Rossby o el pequeño número de Richardson inestabilidades. familiar para los dinámicos de fluidos en ese momento. La característica más importante de la inestabilidad baroclínica es que existe incluso en la situación de rotación rápida (número de Rossby pequeño) y estratificación estable fuerte (número de Richardson grande) que se observa típicamente en la atmósfera. [ cita requerida ]
La fuente de energía para la inestabilidad baroclínica es la energía potencial en el flujo ambiental. A medida que aumenta la inestabilidad, el centro de masa del fluido desciende. En ondas crecientes en la atmósfera, el aire frío que se mueve hacia abajo y hacia el ecuador desplaza el aire más cálido que se mueve hacia los polos y hacia arriba. [ cita requerida ]
La inestabilidad baroclínica se puede investigar en el laboratorio utilizando un anillo rotatorio lleno de líquido . El anillo se calienta en la pared exterior y se enfría en la pared interior, y los flujos de fluido resultantes dan lugar a ondas baroclínicamente inestables. [10] [11]
El término "baroclínico" se refiere al mecanismo por el cual se genera la vorticidad . La vorticidad es el rizo del campo de velocidad. En general, la evolución de la vorticidad se puede descomponer en contribuciones de advección (cuando los tubos de vórtice se mueven con el flujo), estiramiento y torsión (cuando el flujo tira o retuerce los tubos de vórtice) y generación de vorticidad baroclínica, que se produce siempre que hay un gradiente de densidad a lo largo de superficies de presión constante. Los flujos baroclínicos se pueden contrastar con los flujos barotrópicos en los que las superficies de densidad y presión coinciden y no hay generación baroclínica de vorticidad. [ cita requerida ]
El estudio de la evolución de estas inestabilidades baroclínicas a medida que crecen y luego decaen es una parte crucial del desarrollo de teorías sobre las características fundamentales del clima de latitudes medias. [ cita requerida ]
Vector baroclínico
Partiendo de la ecuación de movimiento para un fluido sin fricción ( ecuaciones de Euler ) y tomando el rizo, se llega a la ecuación de movimiento para el rizo de la velocidad del fluido , es decir, la vorticidad . [ cita requerida ]
En un fluido que no tiene todos la misma densidad, aparece un término fuente en la ecuación de vorticidad siempre que las superficies de densidad constante ( superficies isopícnicas ) y las superficies de presión constante ( superficies isobáricas ) no estén alineadas. La derivada material de la vorticidad local viene dada por: [ cita requerida ]
(dónde es la velocidad y es la vorticidad , [12] es la presión, y es densidad). La contribución baroclínica es el vector: [13]
Este vector, a veces llamado vector solenoidal, [14] es de interés tanto en fluidos compresibles como en fluidos incompresibles (pero no homogéneos). Las ondas de gravedad internas , así como los modos inestables de Rayleigh-Taylor, pueden analizarse desde la perspectiva del vector baroclínico. También es de interés en la creación de vorticidad por el paso de choques a través de medios no homogéneos, [15] [16] como en la inestabilidad de Richtmyer-Meshkov . [17] [ cita requerida ]
Los buzos experimentados están familiarizados con las ondas muy lentas que pueden excitarse en una termoclina o una haloclina , que se conocen como ondas internas . Se pueden generar ondas similares entre una capa de agua y una capa de aceite. Cuando la interfaz entre estas dos superficies no es horizontal y el sistema está cerca del equilibrio hidrostático, el gradiente de presión es vertical pero el gradiente de densidad no lo es. Por lo tanto, el vector baroclínico es distinto de cero y el sentido del vector baroclínico es crear vorticidad para nivelar la interfaz. En el proceso, la interfaz se sobrepasa y el resultado es una oscilación que es una onda de gravedad interna. A diferencia de las ondas de gravedad de la superficie, las ondas de gravedad internas no requieren una interfaz nítida. Por ejemplo, en cuerpos de agua, un gradiente gradual de temperatura o salinidad es suficiente para soportar ondas de gravedad internas impulsadas por el vector baroclínico. [ cita requerida ]
Referencias
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- ^ Gill (1982) , p. 122: ″ El significado estricto del término ′ barotrópico ′ es que la presión es constante en superficies de densidad constante ... ″
- ^ Tritton (1988) , p. 179: ″ En general, una situación barotrópica es aquella en la que coinciden superficies de presión constante y superficies de densidad constante; una situación baroclínica es aquella en la que se cruzan. ″
- ^ Holton (2004) , p. 74: ″ Una atmósfera barotrópica es aquella en la que la densidad depende únicamente de la presión,, de modo que las superficies isobáricas también son superficies de densidad constante. ″
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Bibliografía
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