10.1: ¿Qué hace el arrastre turbulento al flujo de capa límite horizontal?

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La fuerza de arrastre turbulenta sobre el flujo de aire horizontal dentro de la capa límite atmosférica puede acercarse al tamaño de los otros términos en la ecuación horizontal de movimiento. Tenga en cuenta que esta fuerza de arrastre turbulenta actúa para reducir la velocidad del aire y por lo tanto es opuesta al vector de velocidad de flujo de aire.

Veamos el equilibrio de fuerzas cuando se incluye la fuerza de arrastre turbulenta. A este arrastre turbulento le llamaremos “fricción” porque comúnmente se le llama así, pero en realidad es bastante diferente.

2019-10-13 6.58.59.png — Mapa horizontal que muestra el viento geotrófico con fricción en el hemisferio norte.

Crédito: W. Brune

Tenga en cuenta que la fuerza de arrastre turbulento (fricción) es paralela al vector de velocidad y es opuesta en dirección.

En la dirección x (a lo largo de las isobarras) el equilibrio de fuerzas es:

fricción (x -componente) = Coriolis (x -componente).

En la dirección y (perpendicular a las isobarras), el equilibrio de fuerzas opuestas es:

fricción (componente y) + Coriolis (y -componente) = PGF

Debido a la fuerza de arrastre turbulenta y la dependencia de la velocidad de la fuerza de Coriolis, la velocidad de la parcela apunta hacia la presión más baja y la parcela aérea tenderá a moverse a través de las isobarras hacia la baja presión. El flujo isobárico cruzado típico en la capa límite forma un ángulo\(30^{\circ}\) con las isobarras. Así, el aire superficial se mueve hacia baja presión y lejos de alta presión.

Por encima de la capa límite atmosférica, sin embargo, la resistencia turbulenta no es generalmente importante y los flujos geastróficos y gradientes son buenas aproximaciones.

Los efectos del arrastre turbulento son muy importantes para el clima. Cuando la divergencia en lo alto provoca que el aire se mueva hacia arriba abajo, se asocia con una región de baja presión cerca de la superficie de la Tierra. Se crea una fuerza de gradiente de presión, pero el aire que se mueve hacia la baja presión se gira para viajar en sentido antihorario alrededor de la baja por la fuerza de Coriolis. Sin embargo, el arrastre turbulento ralentiza el viento y lo convierte para cruzar las isobarras hacia la baja presión, creando convergencia, lo que provoca elevación, nubes y tal vez precipitación. Lo contrario es cierto para las regiones superficiales de alta presión que ocurren bajo regiones de convergencia en lo alto, lo que provoca el descenso. Los vientos anticiclónicos alrededor de la superficie se ralentizan y giran hacia afuera, provocando divergencia cerca de la superficie, conduciendo a aire descendente y cielos despejados. El siguiente video (1:43) proporciona una discusión adicional sobre la fricción:

Fricción

Haga clic aquí para ver la transcripción del video de Friction.: Cuando el flujo está en la parte superior de la capa límite atmosférica, que está a uno o dos kilómetros por encima de la superficie, la turbulencia en la capa límite actúa para impedir el viento horizontal. Esta resistencia al flujo no es realmente fricción. Pero sí actúa para frenar el viento, sin importar la dirección del viento. Como resultado, podemos suponer que este arrastre turbulento es una fuerza que se opone a la velocidad del viento. Observe lo que la adición de un giro resistente turbulento hace al equilibrio de fuerzas para el flujo en línea recta en la capa límite superior. La fuerza PGF es perpendicular al gradiente de presión como de costumbre. Sin embargo, la fricción se opone a la velocidad, y la ralentiza. Al mismo tiempo, la fuerza de Coriolis siempre es perpendicular a la velocidad y a la derecha. Y debido a que la velocidad se ralentiza, la fuerza de Coriolis es menor. El vector de velocidad se vuelve hacia el vector PGF y, por lo tanto, hacia la baja presión. Tenga en cuenta que la dirección x de la fuerza de fricción debe equilibrarse y ser opuesta a la dirección x de la fuerza de Coriolis. Y las direcciones y de las fuerzas de fricción y Coriolis deben ser opuestas y equilibrar el PGF en la dirección y en el diagrama. La resistencia turbulenta de la capa límite gira a velocidad a través de las isobarras para baja presión, lo que provoca convergencia, mientras que la resistencia turbulenta de la capa límite gira a velocidad a través de las isobarras lejos de la alta presión, lo que causa divergencia Estos efectos de fricción tienden a amplificar la convergencia en baja presión superficial y divergencia de la alta presión superficial.

Quiz 10-3: Equilibrio de fuerzas y movimiento.

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