Cuáles son las características escenciales de los fluídos geofísicos?
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- Xavier Fuentes Pérez
- hace 7 años
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1 Circulación general de la atmósfera
2 Cuáles son las características escenciales de los fluídos geofísicos? 1) Estratificación y densidad dependiente de la temperatura - Si la densidad no dependiera de T no podria convertir energía termica en energía cinética.
3 2) Rotación - imparte rigidez vertical
4 Balance energético en el tope de la atmósfera. La atmósfera recibe más radiación solar en los trópicos y menos en los polos. La distribución de energía NETA evidencia un balance que no es por columna atmosférica y por lo tanto implica un transporte
5 Transporte de energia necesaria
6 Temperatura media anual promediada zonalmente
7 La distribución de temperatura controla la distribución de humedad en la atmósfera q=mv/m La humedad está concentrada en niveles bajos
8 Clausius-Clapeyron cuanto más cálido es el aire mas contenido de humedad puede tener sin saturar.
9 La humedad relativa es relativamente uniforme en superficie del orden del 80-85%
10 Teorema del espesor
11 Como los trópicos tienen temperatura mayor, la columna atmosférica es mas alta en esa región.
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13 El espesor de la capa entre p1 y p2 depende de la T media p1 z 2 z 1= p 2 dp RT / g p
14 Debido a la pendiente de las superficies isobaras entre polo y ecuador se inducirá un viento en altura p Winds p1 Ecuador El flujo de masa hacia los polos causará que baje la presión de superficie en los trópicos y aumente en los polos induciendo un flujo hacia el ecuador en superficie. Hadley (1700s) p2 Polo
15 Co rio lis Pressure?
16 Corriente en chorro Circulación zonal media
17 La circulacion de Hadley se limita a los trópicos
18 Movimiento ascendente 2 mm/s Circulación de Hadley Media annual dominada por circulaciones muy fuertes en el hemisferio de invierno Función corriente de masa
19 Corrientes en chorro
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21 Velocidad vertical en 500 hpa
22 En la zona de ascenso de la circulación de Hadley existe convección profunda en forma de hot towers Movimientos ascendentes 10 cm/s
23 Las hot towers ocupan un 2% de los trópicos en un instante de tiempo dado
24 Distribución media annual de precipitación. Las regiones en rojo son las regiones de gran actividad convectiva Zona de Convergencia Intertropical
25 La circulación de Hadley transporta calor del ecuador hacia los subtrópicos
26 Cómo se transporta el calor mas alla de los subtrópicos?
27 Dos dinámicas muy diferentes
28 Para escalas grandes ( km) en latitudes medias (30-60 )... Equilibrio Geostrófico: balance entre aceleración de Coriolis y gradiente de presión. 1 p f v g =0 x 1 p f ug =0 y 1 ug = k p f
29 Viento geostrófico en el hemisferio norte Isóbaras son líneas de corriente del flujo
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31 Consideremos que la densidad del fluído varía alrededor de un valor de referencia constante = ref x, y, 1 ref Tomando la derivada vertical del viento geostrófico 1 = k p z z f ref u g y usando la ecuación hidrostática para sustituir dp/dz u g g = k z f ref
32 Usando la ecuacion de estado para vincular la densidad con la temperatura: agua = ref 1 T T ref ug g = k T z f aire p = RT u g R = k p T ln p f Viento térmico: variación del viento geostrófico con la altura - contornos de temperatura son líneas de corriente para el viento térmico.
33 dt/dy dt/dy
34 Corriente en chorro p R T = 0 ln p f y u g Los vientos del oeste aumentan con la altura y son mas fuertes en el invierno
35 Experimento en un tanque rotatorio que rota despacio sometido a un gradiente de temperatura meridional v g T = 0 z 2 r
36 Pero, la atmósfera en latitudes medias no se comporta como un flujo estable sino que está llena de remolinos (eddies) que generan el tiempo meteorológico. Esto es pues la atmósfera es inestable, y la corriente en chorro se rompe en eddies debido a la inestabilidad baroclínica.
37 Meandros de la corriente en chorro La corriente en chorro no es uniforme ni espacial, ni temporalmente, sino que su estructura cambia dia a dia. Y con ella el tiempo.
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39 A veces la corriente en chorro tiene ondulaciones tan grandes que puede ocurrir que se desprenda una circulacion de bajas en altura. Como estas circulaciones tienen asociada muchas veces una baja en superficie, tienden a traer mal tiempo.
40 Meandros de la corriente en chorro
41 Los meandros de la corriente en chorro, y sus eddies tienen una escala espacial característica: el radio de deformación de Rossby donde L R= NH f = estratificación rotación N es la frecuencia de Brunt-Vaisala H es una escala vertical característica Valores típicos N = 10-2 s-1 f = 10-4 s-1 H = 7 km L R=700 km Para velocidades típicas de 10 m/s, la escala temporal típica de los eddies es ~ 1 día
42 g d N = dz 2 es una medida de la estratificación vertical
43 Continuamos con... experimento de laboratorio Los meandros de las corrientes en chorro, y por lo tanto el tiempo, depende de dos parametros criticos: la razon de rotación y la diferencia de temperatura entre el ecuador y los polos dt/dr
44 En ausencia de diferencia de temperatura entre el cilindro interno y el externo el agua y el tanque rotan como un cuerpo rigido, es decir, la atmosfera no se mueve relativa a la Tierra. Si se enfria el cilindro externo y se mantiene caliente el cilindro interno el agua comienza a moverse relativa al tanque, simulando las corrientes en chorro (viento térmico). A medida que aumenta la diferencia de temperatura, la corriente en chorro va cada vez mas rapido y comienzan a aparecer ondulaciones en el chorro espontaneamente. Estas ondulaciones son al comienzo modestas, pero a velocidades altas las ondulaciones crecen hasta convertirse en oscilaciones caóticas
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46 Inestabilidad baroclínica (Charney 1947, Eady 1949) La fuente de energía cinética para los eddies en la atmósfera media es la energía potencial disponible. La energía potencial disponible es aquella parte de la energía potencial del fluído que puede liberarse a través de una redistribución adiabática de masa. Si la atmósfera está estratificada verticalmente no existe energía potencial disponible 0 x x =0, = z x
47 Para ilustrar consideremos un fluído no-rotante h y = La energía potencial es H 1 H y 2 L P= 0 L g z dy dz L h y P=g L dy 0 2 P=H L 1 g H 1 z dz h y 2 z dz g' g ' L 4 3 donde g'=g( es la gravedad reducida La energía potencial disponible es APE= 1 1 g ' 2 L3 3
48 La liberación de energía potencial es clara: si por alguna razón el fluído estuviera inclinado éste se acomodaría solo volviendo la interface horizontal En general el cociente entre energía cinética y energía potencial disponible en la atmósfera APE L 2 ~ KE LR L es la escala horizontal de variaciones de densidad LR radio de deformación de Rossby APE En la atmósfera KE ~50 APE ~400 En los océanos KE
49 En un fluído rotante es posible obtener un equilibrio en el cual las fuerzas actuantes mantienen una interface con pendiente De acuerdo a la relación del u g g viento térmico, un gradiente = k horizontal de densidad se balancea z f ref con un cortante de velocidades Pero, a altas velocidades de rotación la solución dada por el viento térmico no es estable, y aparecen movimientos radiales debido a la intestabilidad baroclínica. Hielo Fluído menos denso sube y fluído mas denso baja dentro de la región definida por la horizontal y la interface, para así poder obtener energía potencial para su movimiento.
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52 Los eddies inducidos por la inestabilidad baroclínica transportan calor hacia los polos
53 Corte latitudinal de la atmósfera
54 Celdas de Ferrel
55 Transporte meridional de energía
56 Transporte de calor sensible
57 Transporte de calor latente
58 Transporte de energía potencial
59 Transporte de energía total
60 Balance de momento angular terrestre
61 Transporte de momento angular
62 Cómo influye la existencia de continentes en la circulación?
63 La existencia de continentes modifica la circulación a traves de: - orografía - contraste térmico continentes-océanos.
64 Vientos en 200mb Vientos no uniformes en longitud. Uniformidad es mayor en H.S. Máximos a la salida de los continentes, coincide con maximos de precipitacion.
65 Maximo de las corrientes en chorro durante el invierno. Maximo en el H.N. de 70m/s. En el H.S. la corriente en chorro es mayor en el Pacifico. Notar el movimiento hacia los polos de la corriente en chorro con las estaciones.
66 Vientos en superficie Los vientos del oeste son mucho mas fuertes y uniformes en el H.S. Notar minimos de vientos en 30.
67 Relativamente poca estacionalidad de los vientos alisios en comparacion con los vientos del oeste.
68 En el invierno del H.N. se desarrollan dos centros de baja presión debido al contraste térmico entre los fríos continentes y los mas cálidos océanos. Esas dos zonas de bajas presión son la baja Aleutiana y la baja de Islandia. Estas regiones tienen cielo cubierto y lluvias durante toda la estacion pues la circulación de superficie tiende a converger causando movimiento ascendente y condensación de vapor de agua. En el invierno del H.S. el cinturon de altas subtropicales tiende a ser mas uniforme.
69 Monson=cambio direccion vientos de acuerdo a la estacion. Movimiento aparente del sol calienta el continente en verano generando una baja presion. Los vientos tienden a converger hacia la baja trayendo humedad del oceano.
70 Desiertos: E-P>0 - Celda de Hadley: descenso N/S - Descensos locales por montañas: Patagonia Atacama: -descenso global -descenso local (alisios sobre Andes). -TSM fria
71 Diferentes desiertos: diferentes T y precipitacion
72 Celda de Walker Las diferencias de temperatura de superficie no solo existen entre oceano-continente. Tambien existen entre diferentes regiones de los oceanos. En particular, entre el Pacifico ecuatorial este y oeste
73 En las cálidas aguas del Pacífico oeste existe un movimiento de ascenso de aire generando nubes convectivas. Este aire desciende en el Pacífico este donde provoca la aparición de las nubes bajas tipo estratos que casi no producen lluvias y cubren las aguas frías de la costa peruana. El circuito se completa en superficie con los vientos alisios.
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