Inestabilidad de Kelvin-Helmholtz

La inestabilidad de Kelvin-Helmholtz (después de Lord Kelvin y Hermann von Helmholtz ) ocurre típicamente cuando hay cizallamiento de velocidad en un solo fluido continuo , o además cuando hay una diferencia de velocidad a través de la interfaz entre dos fluidos . Un ejemplo común se ve cuando el viento sopla a través de la superficie del agua; la constante de inestabilidad se manifiesta como ondas . Las inestabilidades de Kelvin-Helmholtz también son visibles en las atmósferas de planetas y lunas, como en las formaciones de nubes en la Tierra o la Mancha Roja en Júpiter , y las atmósferas (coronas ) de las estrellas, incluida la del sol . [1]

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Simulación numérica de una inestabilidad temporal de Kelvin-Helmholtz
Inestabilidad Kelvin-Helmholtz 2D en desarrollo espacial con un número de Reynolds bajo . Pequeñas perturbaciones, impuestas en la entrada a la velocidad tangencial, evolucionan en la caja computacional. Un número alto de Reynolds se marcaría con un aumento de los movimientos a pequeña escala.

Una inestabilidad de KH hecha visible por las nubes, conocida como fluctus , [2] sobre el monte Duval en Australia
Una inestabilidad de KH en el planeta Saturno, formada en la interacción de dos bandas de la atmósfera del planeta.
Kelvin-Helmholtz se eleva a 500 m de profundidad en el Océano Atlántico
Animación de la inestabilidad de KH, utilizando un esquema de volumen finito 2D de segundo orden

La teoría predice el inicio de la inestabilidad y la transición a un flujo turbulento dentro de fluidos de diferentes densidades que se mueven a varias velocidades. [3] Helmholtz estudió la dinámica de dos fluidos de diferentes densidades cuando se introdujo una pequeña perturbación, como una onda, en el límite que conecta los fluidos. Por tanto, la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz puede caracterizarse como movimientos inestables a pequeña escala que ocurren vertical y lateralmente. A veces, las inestabilidades a pequeña escala pueden limitarse mediante la presencia de un límite. Los límites son evidentes en la dirección vertical, a través de un límite superior e inferior. El límite superior se puede ver a través de ejemplos como la superficie libre de un océano y el límite inferior como una ola rompiendo en una costa. [4] A escala lateral, la difusión y la viscosidad son los principales factores de consideración, ya que ambos afectan a las inestabilidades a pequeña escala. A través de la definición antes mencionada de la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz, la distinción entre la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz y la turbulencia a pequeña escala puede ser difícil. Aunque los dos no son intrínsecamente inseparables, Kelvin-Helmholtz se ve como un fenómeno bidimensional en comparación con la turbulencia que ocurre en tres dimensiones. [4]

En el caso de una longitud de onda corta, si se ignora la tensión superficial, dos fluidos en movimiento paralelo con diferentes velocidades y densidades producen una interfaz que es inestable para todas las velocidades. Sin embargo, la tensión superficial puede estabilizar la inestabilidad de la longitud de onda corta y predecir la estabilidad hasta que se alcanza un umbral de velocidad. La teoría de la estabilidad lineal, con la tensión superficial incluida, predice ampliamente el inicio de la formación de olas, así como la transición a la turbulencia en el importante caso del viento sobre el agua. [5]

Recientemente se descubrió que las ecuaciones fluidas que gobiernan la dinámica lineal del sistema admiten una simetría de paridad-tiempo , y la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz ocurre cuando y solo cuando la simetría de paridad-tiempo se rompe espontáneamente. [6]

Para una distribución de densidad y velocidad que varía continuamente (con las capas más ligeras hacia arriba, de modo que el fluido sea estable a RT ), la dinámica de la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz se describe mediante la ecuación de Taylor-Goldstein y su inicio viene dado por el número de Richardson . [4] Normalmente, la capa es inestable para. Estos efectos son comunes en las capas de nubes. El estudio de esta inestabilidad es aplicable a la física del plasma, por ejemplo, en la fusión por confinamiento inercial y la interfaz plasma - berilio . A veces, una situación en la que existe un estado de estabilidad estática, evidente por los fluidos más pesados ​​que se encuentran debajo que el fluido inferior, la inestabilidad de Rayleigh-Taylor puede ignorarse ya que la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz es suficiente dadas las condiciones.

Se entiende que en el caso de turbulencias a pequeña escala, un aumento del número de Reynolds, , se corresponde con un aumento de los movimientos a pequeña escala. La introducción del número de Reynolds es comparable a la introducción de una medida de viscosidad a una relación que se definió previamente como velocidad de cizallamiento e inestabilidad. En términos de viscosidad, un número de Reynolds alto se indica por baja viscosidad. Esencialmente, un número alto de Reynolds da como resultado un aumento del movimiento a pequeña escala. Se considera que esta idea está en consonancia con la naturaleza de la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz. [7] Cuando se aumenta el número de Reynolds dentro de un caso de inestabilidad de Kelvin-Helmholtz, se muestra que las estructuras iniciales a gran escala de la inestabilidad aún persisten en forma de formas supersónicas. [8]

Numéricamente, la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz se simula en un enfoque temporal o espacial. En el enfoque temporal, los experimentadores consideran que el flujo en una caja periódica (cíclica) se "mueve" a una velocidad media (inestabilidad absoluta). En el enfoque espacial, los experimentadores simulan un experimento de laboratorio con condiciones naturales de entrada y salida (inestabilidad convectiva).

El fenómeno de inestabilidad de Kelvin-Helmholtz es una ocurrencia global de flujo de fluidos que se observa una y otra vez en la naturaleza. Desde las olas del océano hasta las nubes en el cielo, la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz es responsable de algunas de las estructuras más básicas de la naturaleza. Un mayor análisis y modelado de la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz puede resultar en una comprensión de los fenómenos naturales del mundo y más.

  1. ^ Fox, Karen C. "Observatorio de dinámica solar de la NASA atrapa olas de" surfista "en el sol" . NASA-The Sun-Earth Connection: Heliofísica . NASA.
  2. ^ Sutherland, Scott (23 de marzo de 2017). "Cloud Atlas salta al siglo XXI con 12 nuevos tipos de nubes" . La red meteorológica . Pelmorex Media . Consultado el 24 de marzo de 2017 .
  3. ^ Drazin, PG (2003). Enciclopedia de Ciencias Atmosféricas . Elsevier Ltd. págs. 1068–1072. doi : 10.1016 / B978-0-12-382225-3.00190-0 .
  4. ^ a b c Gramer, Lew; Gramer @ noaa, Lew; Gobernador (27 de mayo de 2007). "Inestabilidades de Kelvin-Helmholtz" . Cite journal requiere |journal=( ayuda )
  5. ^ FUNADA, T .; JOSEPH, D. (25 de octubre de 2001). "Análisis de flujo de potencial viscoso de la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz en un canal" . Revista de Mecánica de Fluidos . 445 : 263-283. doi : 10.1017 / S0022112001005572 .
  6. ^ Qin, H .; et al. (2019). "La inestabilidad de Kelvin-Helmholtz es el resultado de la ruptura de la simetría de paridad-tiempo". Física de Plasmas . 26 (3): 032102. arXiv : 1810.11460 . Código Bibliográfico : 2019PhPl ... 26c2102Q . doi : 10.1063 / 1.5088498 . S2CID  53658729 .
  7. ^ Yilmaz, ©; Davidson, L; Edis, FO; Saygin, H (22 de diciembre de 2011). "Simulación numérica de la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz utilizando un algoritmo DNS implícito, no disipativo" . Journal of Physics: Serie de conferencias . 318 (3): 032024. doi : 10.1088 / 1742-6596 / 318/3/032024 . ISSN  1742-6596 .
  8. ^ "Inestabilidad de Kelvin Helmholtz: una descripción general | Temas de ScienceDirect" . www.sciencedirect.com . Consultado el 27 de abril de 2020 .

  • Lord Kelvin (William Thomson) (1871). "Observaciones y soluciones hidrocinéticas". Revista Filosófica . 42 : 362–377.
  • Hermann von Helmholtz (1868). "Über discontinuierliche Flüssigkeits-Bewegungen [Sobre los movimientos discontinuos de fluidos]". Monatsberichte der Königlichen Preussische Akademie der Wissenschaften zu Berlin . 23 : 215-228.
  • Artículo que describe el descubrimiento de ondas KH en las profundidades del océano: Broad, William J. (19 de abril de 2010). "En aguas profundas, olas con un rizo familiar" . New York Times . Consultado el 23 de abril de 2010 .

  • Hwang, K.-J .; Goldstein; Kuznetsova; Wang; Viñas; Sibeck (2012). "La primera observación in situ de ondas de Kelvin-Helmholtz en magnetopausa de alta latitud durante condiciones de campo magnético interplanetario fuertemente hacia el amanecer". J. Geophys. Res . 117 (A08233): n / a. Código bibliográfico : 2012JGRA..117.8233H . doi : 10.1029 / 2011JA017256 . hdl : 2060/20140009615 .
  • Gigantescas nubes en forma de tsunami ruedan por el cielo de Alabama - Natalie Wolchover, Livescience a través de Yahoo.com
  • Nube de tsunami golpea la costa de Florida
  • Formación de vórtice en chorro libre : vídeo de YouTube que muestra las ondas de Kelvin Helmholtz en el borde de un chorro libre visualizado en un experimento científico.
  • Onda de nubes sobre la ciudad de Christchurch.
  • Nubes Kelvin-Helmholtz, en Barmouth, Gwynedd, el 18 de febrero de 2017