Dinámica de fluidos geofísica

Modelo de pronóstico del huracán Mitch elaborado por el Laboratorio de Dinámica de Fluidos Geofísicos . Las flechas son vectores de viento y el sombreado gris indica una superficie de temperatura potencial equivalente que resalta la capa de entrada de la superficie y la región de la pared del ojo .

La dinámica de fluidos geofísica , en su significado más amplio, se refiere a la dinámica de fluidos de los flujos naturales, como los flujos de lava, océanos y atmósferas planetarias , en la Tierra y otros planetas . ^[1]

Dos características físicas que son comunes a muchos de los fenómenos estudiados en la dinámica de fluidos geofísicos son la rotación del fluido debido a la rotación planetaria y la estratificación (estratificación). Las aplicaciones de la dinámica de fluidos geofísicos generalmente no incluyen la circulación del manto , que es el tema de la geodinámica , o los fenómenos de fluidos en la magnetosfera .

Fundamentos [ editar ]

Para describir el flujo de fluidos geofísicos, se necesitan ecuaciones para la conservación del momento (o la segunda ley de Newton ) y la conservación de la energía . El primero conduce a las ecuaciones de Navier-Stokes que no se pueden resolver analíticamente (todavía). Por lo tanto, generalmente se hacen más aproximaciones para poder resolver estas ecuaciones. Primero, se supone que el fluido es incompresible . Sorprendentemente, esto funciona bien incluso para un fluido altamente compresible como el aire, siempre que se puedan ignorar el sonido y las ondas de choque . ^[2]^{: 2-3 En} segundo lugar, se supone que el fluido es un fluido newtoniano, lo que significa que existe una relación lineal entre el esfuerzo cortante $τ$ y la deformación $u$ , por ejemplo

{\ Displaystyle \ tau = \ mu {\ frac {du} {dx}},}

donde $μ$ es la viscosidad . ^[2]^{: 2–3} Bajo estos supuestos, las ecuaciones de Navier-Stokes son

\overbrace {\rho {\Big (}\underbrace {\frac {\partial \mathbf {v} }{\partial t}} _{\begin{smallmatrix}{\text{Eulerian}}\\{\text{acceleration}}\end{smallmatrix}}+\underbrace {\mathbf {v} \cdot \nabla \mathbf {v} } _{\begin{smallmatrix}{\text{Advection}}\end{smallmatrix}}{\Big )}} ^{\text{Inertia (per volume)}}=\overbrace {\underbrace {-\nabla p} _{\begin{smallmatrix}{\text{Pressure}}\\{\text{gradient}}\end{smallmatrix}}+\underbrace {\mu \nabla ^{2}\mathbf {v} } _{\text{Viscosity}}} ^{\text{Divergence of stress}}+\underbrace {\mathbf {f} } _{\begin{smallmatrix}{\text{Other}}\\{\text{body}}\\{\text{forces}}\end{smallmatrix}}.

El lado izquierdo representa la aceleración que experimentaría una pequeña parcela de fluido en un marco de referencia que se moviera con la parcela (un marco de referencia lagrangiano ). En un marco de referencia estacionario (euleriano), esta aceleración se divide en la tasa local de cambio de velocidad y advección , una medida de la tasa de flujo dentro o fuera de una región pequeña. ^[2]^{: 44–45}

La ecuación para la conservación de energía es esencialmente una ecuación para el flujo de calor. Si el calor se transporta por conducción , el flujo de calor se rige por una ecuación de difusión . Si también hay efectos de flotabilidad , por ejemplo, el aumento de aire caliente, entonces puede ocurrir la convección natural , también conocida como convección libre. ^[2]^{: 171} La convección en el núcleo exterior de la Tierra impulsa la geodinamo que es la fuente del campo magnético de la Tierra . ^[3]^{( Capítulo 8 )} En el océano, la convección puede ser térmica (impulsada por el calor), haline(donde la flotabilidad se debe a diferencias en la salinidad), o termohalina , una combinación de los dos. ^[4]

Flotabilidad y estratificación [ editar ]

Ondas internas en el Estrecho de Messina (fotografiado por ASTER ).

El fluido que es menos denso que su entorno tiende a elevarse hasta tener la misma densidad que su entorno. Si no hay mucha entrada de energía al sistema, tenderá a estratificarse . A gran escala, la atmósfera de la Tierra se divide en una serie de capas . Subiendo desde el suelo, se encuentran la troposfera , la estratosfera , la mesosfera , la termosfera y la exosfera . ^[5]

La densidad del aire está determinada principalmente por la temperatura y el contenido de vapor de agua , la densidad del agua de mar por la temperatura y la salinidad y la densidad del agua del lago por la temperatura. Donde ocurre la estratificación, puede haber capas delgadas en las que la temperatura o alguna otra propiedad cambia más rápidamente con la altura o la profundidad que el fluido circundante. Dependiendo de las principales fuentes de flotabilidad, esta capa puede denominarse picnoclina (densidad), termoclina (temperatura), haloclina (salinidad) o quimioclina (química, incluida la oxigenación).

La misma flotabilidad que da lugar a la estratificación también impulsa las ondas de gravedad . Si las ondas de gravedad ocurren dentro del fluido, se denominan ondas internas . ^[2]^{: 208–214}

Al modelar los flujos impulsados por la flotabilidad, las ecuaciones de Navier-Stokes se modifican utilizando la aproximación de Boussinesq . Esto ignora las variaciones de densidad, excepto cuando se multiplican por la aceleración gravitacional $g$ . ^[2]^{: 188}

Si la presión depende solo de la densidad y viceversa, la dinámica de fluidos se llama barotrópica . En la atmósfera, esto corresponde a una falta de frentes, como en los trópicos . Si hay frentes, el flujo es baroclínico y pueden ocurrir inestabilidades como ciclones . ^[6]

Rotación [ editar ]

efecto Coriolis
Circulación
Teorema de la circulación de Kelvin
Ecuación de vorticidad
Viento termal
Corriente geostrófica
Viento geostrófico
Teorema de Taylor-Proudman
Equilibrio hidrostático
Espiral de Ekman
Capa de Ekman

Circulación general [ editar ]

Circulación atmosférica
corriente oceánica
Dinámica oceánica
Circulación termohalina
Corriente límite
Equilibrio de Sverdrup
Corrientes subsuperficiales

Olas [ editar ]

Barotrópico [ editar ]

Ola de Kelvin
Ola de Rossby
Ola Sverdrup (ola de Poincaré)

Baroclínico [ editar ]

Onda de gravedad

Ver también [ editar ]

Laboratorio de dinámica de fluidos geofísica

Referencias [ editar ]

^ Vallis, Geoffrey K. (24 de agosto de 2016). "Dinámica de fluidos geofísica: ¿de dónde, hacia dónde y por qué?" . Actas de la Royal Society A: Ciencias Matemáticas, Físicas e Ingeniería . 472 (2192): 20160140. Código Bibliográfico : 2016RSPSA.47260140V . doi : 10.1098 / rspa.2016.0140 . PMC 5014103 . PMID 27616918 .
↑ a b c d e f Tritton, DJ (1990). Dinámica de fluidos físicos (Segunda ed.). Prensa de la Universidad de Oxford . ISBN 0-19-854489-8.
^ Merrill, Ronald T .; McElhinny, Michael W .; McFadden, Phillip L. (1996). El campo magnético de la tierra: paleomagnetismo, el núcleo y el manto profundo . Prensa académica . ISBN 978-0-12-491246-5.
^ Soloviev, A .; Klinger, B. (2009). "Circulación en mar abierto". En Thorpe, Steve A. (ed.). Enciclopedia de elementos de las ciencias oceánicas de la oceanografía física . Londres: Academic Press. pag. 414. ISBN 9780123757210.
↑ Zell, Holly (2 de marzo de 2015). "Atmósfera superior de la Tierra" . NASA . Consultado el 20 de febrero de 2017 .
^ Haby, Jeff. "Definición barotrópica y baroclínica" . Sugerencias de pronóstico del tiempo de Haby . Consultado el 17 de agosto de 2017 .

Lectura adicional [ editar ]

Cushman-Roisin, Benoit; Beckers, Jean-Marie (octubre de 2011). Introducción a la dinámica de fluidos geofísica: aspectos físicos y numéricos (Segunda ed.). Prensa académica . ISBN 978-0-12-088759-0. Consultado el 14 de octubre de 2010 .
Gill, Adrian E. (1982). Atmósfera: Dinámica del océano ([Nachdr.] Ed.). Nueva York: Academic Press. ISBN 978-0122835223.
McWilliams, James C. (2006). Fundamentos de la dinámica de fluidos geofísica . Cambridge: Universidad de Cambridge. Prensa. ISBN 9780521856379.
Monin, AS (1990). Dinámica de fluidos geofísica teórica . Dordrecht: Springer Holanda. ISBN 978-94-009-1880-1.
Pedlosky, Joseph (2012). Dinámica de fluidos geofísica . Springer Science & Business Media. ISBN 9781468400717.
Salmón, Rick (1998). Conferencias sobre dinámica de fluidos geofísica . Prensa de la Universidad de Oxford. ISBN 9780195355321.
Vallis, Geoffrey K. (2006). Dinámica de fluidos atmosféricos y oceánicos: fundamentos y circulación a gran escala (Reprint ed.). Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0521849692.

Enlaces externos [ editar ]

Programa de dinámica de fluidos geofísicos ( Instituto Oceanográfico Woods Hole )
Laboratorio de dinámica de fluidos geofísica ( Universidad de Washington )

[1] Vallis, Geoffrey K. (24 de agosto de 2016). "Dinámica de fluidos geofísica: ¿de dónde, hacia dónde y por qué?" . Actas de la Royal Society A: Ciencias Matemáticas, Físicas e Ingeniería . 472 (2192): 20160140. Código Bibliográfico : 2016RSPSA.47260140V . doi : 10.1098 / rspa.2016.0140 . PMC 5014103 . PMID 27616918 .

[Tritton-2] Tritton, DJ (1990). Dinámica de fluidos físicos (Segunda ed.). Prensa de la Universidad de Oxford . ISBN 0-19-854489-8.

[Merrill-3] Merrill, Ronald T .; McElhinny, Michael W .; McFadden, Phillip L. (1996). El campo magnético de la tierra: paleomagnetismo, el núcleo y el manto profundo . Prensa académica . ISBN 978-0-12-491246-5.

[4] Soloviev, A .; Klinger, B. (2009). "Circulación en mar abierto". En Thorpe, Steve A. (ed.). Enciclopedia de elementos de las ciencias oceánicas de la oceanografía física . Londres: Academic Press. pag. 414. ISBN 9780123757210.

[5] Zell, Holly (2 de marzo de 2015). "Atmósfera superior de la Tierra" . NASA . Consultado el 20 de febrero de 2017 .

[Haby-6] Haby, Jeff. "Definición barotrópica y baroclínica" . Sugerencias de pronóstico del tiempo de Haby . Consultado el 17 de agosto de 2017 .

[1]

vtmiGeofísica
Descripción general	Esquema Geofísicos
Subcampos	Geodesia Geodinámica Encuesta geofísica Geomagnetismo Dinámica de fluidos geofísica Geofísica matemática Física mineral Geofísica cercana a la superficie Paleomagnetismo Sismología Tectonofísica
Fenómenos físicos	Chandler se tambalea efecto Coriolis Campo magnético de la tierra Geodinamo Gradiente geotérmico Gravedad de la Tierra Convección del manto Precesión de los equinoccios Onda sísmica Marea
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