La estratificación estable de los fluidos ocurre cuando cada capa es menos densa que la que está debajo. La estratificación inestable es cuando cada capa es más densa que la que está debajo.
Las fuerzas de flotabilidad tienden a preservar la estratificación estable; las capas superiores flotan sobre las inferiores. En la estratificación inestable, por otro lado, las fuerzas de flotación provocan la convección . Las capas menos densas se elevan a través de las capas más densas de arriba, y las capas más densas se hunden a través de las capas menos densas de abajo. Las estratificaciones pueden volverse más o menos estables si las capas cambian de densidad. Los procesos involucrados son importantes en muchos campos de la ciencia y la ingeniería.
Desestabilización y mezcla
Las estratificaciones estables pueden volverse inestables si las capas cambian de densidad. Esto puede suceder debido a influencias externas (por ejemplo, si el agua se evapora de una lente de agua dulce , haciéndola más salada y densa, o si una olla o bebida en capas se calienta desde abajo, haciendo que la capa inferior sea menos densa). Sin embargo, también puede suceder debido a la difusión interna de calor (la capa más cálida calienta lentamente la adyacente más fría) u otras propiedades físicas. Esto a menudo provoca una mezcla en la interfaz, creando nuevas capas difusivas (ver foto de café y leche).
A veces, dos propiedades físicas se difunden entre capas simultáneamente; sal y temperatura, por ejemplo. Esto puede formar capas difusivas o incluso dedos de sal , cuando las superficies de las capas difusivas se vuelven tan onduladas que hay "dedos" de capas que se extienden hacia arriba y hacia abajo.
No todo el mezclado es impulsado por cambios de densidad. Otras fuerzas físicas también pueden mezclar capas estratificadas de manera estable. El rocío de mar y los whitecaps ( agua blanca espumosa en las olas) son ejemplos de agua mezclada con aire y aire con agua, respectivamente. En una tormenta feroz, el límite entre el aire y el agua puede volverse indistinto. Algunas de estas ondas de viento son ondas de Kelvin-Helmholtz . [1]
Dependiendo del tamaño de la diferencia de velocidad y del tamaño del contraste de densidad entre las capas, las ondas de Kelvin-Helmholtz pueden verse diferentes. Por ejemplo, entre dos capas de aire o dos capas de agua, la diferencia de densidad es mucho menor y las capas son miscibles; vea el video modelo en blanco y negro.
Aplicaciones
Ciencia planetaria
La estratificación se ve comúnmente en las ciencias planetarias.
La energía solar pasa como radiación visible a través del aire y es absorbida por el suelo para ser reemitida como radiación de calor. Por lo tanto, la atmósfera inferior se calienta desde abajo (la absorción de UV en la capa de ozono calienta esa capa desde adentro). Por lo tanto, el aire exterior suele estar estratificado y convectivo de manera inestable, lo que nos da viento. Las inversiones de temperatura son un evento meteorológico que ocurre cada vez que un área de la atmósfera inferior se estratifica de manera estable y, por lo tanto, deja de moverse. [2] [3]
Los océanos, por otro lado, se calientan desde arriba y, por lo general, están estratificados de manera estable. Sólo cerca de los polos se hunde el agua más fría y salada. Las aguas profundas del océano se calientan y refrescan lentamente a través de la mezcla interna (una forma de doble difusión [4] ) y luego vuelven a la superficie.
Ejemplos:
- Estratificación (agua) , la formación de capas de agua en función de la temperatura (y salinidad, en los océanos)
- Estratificación de los lagos , formación de capas de agua en función de la temperatura, con mezcla en primavera y otoño en climas estacionales.
- Inestabilidad atmosférica
- Estratificación atmosférica , la división de los tramos superiores de la atmósfera de la Tierra en capas estratificadas de manera estable.
- Circulación atmosférica , provocada por la estratificación inestable de la atmósfera.
- Circulación termohalina , circulación en los océanos a pesar de una estratificación estable.
- Flujos estratificados (como el flujo a través del Estrecho de Gibraltar )
Ingenieria
En aplicaciones de ingeniería, la estratificación estable o la convección pueden ser deseables o no. En cualquier caso, puede manipularse deliberadamente. La estratificación puede afectar fuertemente la mezcla de fluidos, [5] que es importante en muchos procesos de fabricación.
- La calefacción por suelo radiante crea deliberadamente una estratificación inestable del aire en una habitación.
- El enfriamiento pasivo se basa en estimular e interrumpir selectivamente la estratificación estable para enfriar las habitaciones.
Referencias
- ^ a b Zell, Holly; Fox, Karen C. (30 de diciembre de 2014). "El Observatorio de Dinámica Solar de la NASA atrapa las olas del" surfista "en el sol" . NASA .
- ^ Mahrt, L. (3 de enero de 2014). "Capas de límites atmosféricos estratificados de forma estable" (PDF) . Revisión anual de mecánica de fluidos . 46 (1): 23–45. doi : 10.1146 / annurev-fluid-010313-141354 .
- ^ "Estratificación atmosférica estable e inestable en palabras simples" . WINDY.APP .
- ^ Maiti, DK; Gupta, AS; Bhattacharyya, S. (1 de diciembre de 2008). "Estratificación estable / inestable en convección termosolutal en una cavidad cuadrada". Revista de transferencia de calor . 130 (12): 122001. doi : 10.1115 / 1.2969757 .
- ^ Xu, Duo; Chen, junio (diciembre de 2016). "Sobre los modelos de mezcla para flujos estratificados sometidos a estratificaciones estables e inestables concomitantes". Revista de turbulencia . 17 (12): 1087-1111. doi : 10.1080 / 14685248.2016.1223846 .