11.6: La historia del crecimiento diurno de la capa límite contada en perfiles verticales de temperatura potencial virtual

Recordemos el concepto de temperatura potencial virtual, que se introdujo en la Lección 2. La temperatura potencial virtual se encuentra reemplazando la temperatura en la fórmula para temperatura virtual por la temperatura potencial:

\[T_{v}=T(1+0.61 q)\]

\[\theta=T\left(\frac{p_{o}}{p}\right)^{0.286}\]

\[\theta_{v}=\theta(1+0.61 q),\]para aire insaturado

θ _v es la temperatura potencial virtual. Es una cantidad útil porque toma en cuenta la humedad así como la temperatura al considerar la flotabilidad y estabilidad. Así, el ascenso o descenso adiabático en aire húmedo sigue la línea de temperatura potencial virtual constante hasta el nivel de condensación de elevación (LCL), donde la temperatura potencial aumenta. Entonces, veamos la evolución del perfil de temperatura potencial virtual en una capa límite libre de nubes.

Figura: Evolución diurna de la capa límite contada por perfiles virtuales de temperatura potencial. Para el contexto, véase la figura en la lección 11.2. ML = capa mixta, FA = atmósfera libre, SBL = capa límite estable, RL = capa residual. Ver S1 = tarde, S2 = justo después del atardecer, S3 = justo antes del amanecer, S4 = justo después del amanecer, S5 = media mañana, S6 = tarde en la mañana. De R. B. Stull Una introducción a la meteorología de la capa límite (1988).

Empezar por la tarde (S1 arriba). El calentamiento de la superficie hace que el aire cercano a la superficie tenga una temperatura potencial virtual más alta que el aire justo por encima de ella, de modo que el aire es superadiabático. Así, las parcelas de aire de este aire cálido y húmedo se elevan hasta el punto en la atmósfera libre donde la temperatura potencial virtual es tan grande o mayor que el valor de la parcela aérea. En este punto, la parcela aérea probablemente se mezcla con el aire circundante y por lo tanto contribuye a elevar la temperatura de la capa mixta. A medida que continúa la convección de paquetes de aire, el aire ligeramente más frío de la capa límite superior se hunde alrededor de las parcelas de aire ascendentes y continúa el proceso de mezcla a medida que las parcelas de aire que suben encuentran aire que desciende. El resultado es una capa límite bien mezclada.

Justo después del atardecer (S2 arriba), la superficie se enfría por radiación infrarroja y el aire cercano a la superficie se vuelve estable con una inversión virtual potencial de temperatura (y por lo tanto de temperatura) que impide que el aire de la superficie suba. Como resultado, la capa límite nocturna se vuelve bastante estable, y a medida que la superficie continúa enfriándose, la capa límite se vuelve aún más estable durante la noche (S3 arriba). Obsérvese también que la capa límite estable crece, no por mezcla convectiva, sino por mezcla de cizallamiento.

Justo después del amanecer (S4 arriba), la superficie es calentada por el sol, y a medida que continúa calentándose durante toda la mañana (S5 arriba), la convección comienza a mezclar el aire caliente primero a lo largo de la capa límite estable y luego en la capa mixta. Cualquier traza de constituyentes atmosféricos que quede en la capa residual desde el día anterior ahora se vuelve a mezclar en la capa límite a medida que crece más alto. Finalmente, la capa residual se mezcla completamente con la capa límite creciente (S6 arriba), y la capa límite vuelve a su condición de la tarde anterior (S1 arriba).

Contaminación del aire sobre El Cairo, Egipto. Crédito: Nina Hale vía flickr

Piensa en las horas pico matutinas y vespertinas. Durante la hora pico de la mañana, que está cerca del amanecer, las emisiones del vehículo se mezclan en una capa límite poco profunda y, por lo tanto, las proporciones de mezcla de los contaminantes pueden ser bastante sustanciales. Esta situación lleva a la fotoquímica que produce la contaminación, incluyendo el ozono. Por la noche, el tráfico en horas pico también emite las mismas cantidades de contaminantes a la capa límite, pero debido a que la altura de la capa límite es mucho mayor a primera hora de la tarde que en la mañana, las proporciones de mezcla de contaminantes son menores porque el mismo nivel de emisiones se están mezclando en un volumen mayor de aire. Así los efectos de las emisiones vespertinas no son tan severos como los efectos de las emisiones matutinas. Además, modelar correctamente la altura de la capa límite planetaria es esencial para un modelado preciso de la calidad del aire.

La variación diurna de la altura de la capa límite planetaria es más que una simple curiosidad: influye en nuestra vida cotidiana y nuestra salud porque vivimos, trabajamos y respiramos principalmente en la capa límite planetaria atmosférica. Por lo tanto, es importante que los meteorólogos y los científicos atmosféricos adquieran una mejor comprensión de los movimientos atmosféricos y el presupuesto energético de la capa límite planetaria. Obtener esta comprensión significa aprender algo sobre la turbulencia atmosférica, que son los vientos caóticos a pequeña escala que son un factor significativo en la capa límite planetaria.