11.9: Cómo los flujos cinemáticos mueven el aire verticalmente

Ahora que sabemos separar las partes medias y turbulentas, podemos mirar el concepto de flujo cinemático. Un flujo es la transferencia de alguna variable por unidad de área por unidad de tiempo. Generalmente en meteorología, nos preocupamos por variables como masa, calor (es decir, temperatura), energía cinética, humedad, impulso. Quienes estudian la composición de la atmósfera también están interesados en el flujo de sustancias químicas emitidas a la atmósfera desde la superficie y el flujo de contaminantes atmosféricos, como el ozono, de regreso a la superficie de la Tierra. Para esta discusión, consideremos solo los flujos directamente relevantes para la meteorología.

Por lo que las unidades Sl de los siguientes flujos serían\(\mathrm{kg} \mathrm{m}^{-2} \mathrm{s}^{-1}\) para masa para humedad\((m)\)\(\mathrm{kg}_{\text {water }} \mathrm{m}^{-2} \mathrm{s}^{-1}\) para impulso\((m v),\) y\(\left(m_{y}\right) ;\left(\mathrm{kg}\, \mathrm{m} \mathrm{s}^{-1}\right) \mathrm{m}^{-2} \mathrm{s}^{-1}=\mathrm{kg} \,\mathrm{m}^{-1} \mathrm{s}^{-2}\)\(\mathrm{J} \mathrm{m}^{-2} \mathrm{s}^{-1}\) para calor\(\left(m c_{p} T_{v}\right)\) o\(\mathrm{W} \mathrm{m}^{-2}\) (al igual que la radiación).

Podemos escribir estos en la forma cinemática dividiendo por la densidad del aire:

• masa cinemática\(\mathrm{flux}=\left(\mathrm{kg}\, \mathrm{m}^{-2}\, \mathrm{s}^{-1}\right) /\left(\mathrm{kg} \,\mathrm{m}^{-3}\right)=\mathrm{m} \mathrm{s}^{-1}\)
• humedad cinemática\(\mathrm{flux}=\left(\mathrm{kg}_{\text {water }} \mathrm{m}^{-2} \mathrm{s}^{-1}\right) /\left(\mathrm{kg}_{\text {air }} \mathrm{m}^{-3}\right)=\mathrm{kg}_{\text {water }} \mathrm{kg}_{\text {air }}^{-1} \mathrm{ms}^{-1}\)
• impulso cinemático\(\mathrm{flux}=\mathrm{kg} \mathrm{m}^{-1} \mathrm{s}^{-2} /\left(\mathrm{kg} \mathrm{m}^{-3}\right)=\mathrm{m}^{2} \mathrm{s}^{-2}\)

Para el flujo de calor cinemático, el flujo de calor generalmente se divide por la densidad del aire multiplicada por el calor específico del aire para dar unidades de\(\left(\mathbf{J} \mathbf{m}^{-2} \mathbf{s}^{-1}\right) /\left(\mathbf{k} \mathbf{g} \mathbf{m}^{-3} \mathbf{J} \mathbf{k} \mathbf{g}^{-1} \mathbf{K}^{-1}\right)=\mathbf{K} \mathbf{m} \mathbf{s}^{-1} .\) Tenga en cuenta que esto es solo una temperatura por una velocidad.

La palabra “cinemática” suele ser abandonada y asumida.

Veamos el flujo de calor cinemático en dirección vertical. También, nos interesa el transporte vertical de energía térmica y por lo tanto no queremos pensar en la variación adiabática de la temperatura debido al movimiento vertical, ya que la temperatura de una parcela aérea disminuye con la altura incluso en ascenso adiabático. Podemos lograr esto usando la temperatura potencial y no la temperatura virtual, que cae con la altura adiabáticamente mientras que la temperatura potencial es constante con la altura. θ no es igual a T excepto a 1000 hPa, por lo que debemos tenerlo en cuenta.

Anote la expresión para el flujo vertical de la temperatura potencial, que es igual al viento vertical multiplicado por la temperatura potencial, y luego tome el promedio de Reynolds de ese flujo:

\[\overline{w \theta}=\bar{w} \bar{\theta}+\overline{w^{\prime} \theta^{\prime}}\]

El primer término a la derecha es el flujo vertical de temperatura potencial debido al movimiento vertical promedio, pero w ~ 0 en promedio en la capa límite, por lo que generalmente podemos bajar el primer término a la derecha.

Consideremos cómo funciona este flujo para mover la energía térmica. Una condición típica para la capa límite mixta es una capa superadiabática cerca de la superficie calentada (es decir, θ disminuye con la altura).

Cómo la turbulencia es capaz de mover el calor verticalmente por flujo de calor turbulento para el caso diurno con calentamiento de superficie. Los subíndices p y e se refieren a paquetería y medio ambiente, respectivamente. θ' es siempre θ de la parcela antes de que se mueva menos θ de su nuevo entorno a su nueva altura. Los remolinos mueven el aire tanto hacia abajo (panel izquierdo) como hacia arriba (panel derecho). En ambos casos, el flujo de calor neto es alto. Tenga en cuenta que los remolinos circulan en la vertical y, por lo tanto, normalmente mueven el aire tanto hacia arriba como hacia abajo como se muestra en los paneles al mismo tiempo. Crédito: W. Brune

Veamos los diferentes casos.

Estuche diurno con calentamiento de superficie tal que\(\partial \theta / \partial z<0\) (como en la figura anterior). Los remolinos pueden hacer lugares de comercio aéreo. Mueven algunos paquetes aéreos hacia abajo,

para\[w^{\prime}<0\] y\[\theta^{\prime}<0: \overline{w^{\prime} \theta^{\prime}}>0\]

y al mismo tiempo mover algunos hacia arriba,

para\[w^{\prime}>0\] y\[\theta^{\prime}>0: \quad \overline{w^{\prime} \theta^{\prime}}>0\]

Ambos procesos están ocurriendo simultáneamente. Si las parcelas de aire se mezclan a sus nuevas alturas, mueven el aire más frío hacia abajo (panel izquierdo arriba) o el aire más cálido hacia arriba (panel derecho arriba) y en ambos casos, mueven el calor hacia arriba. Así, cuando la temperatura potencial disminuye con la altura (es decir, es superadiabática), los remolinos turbulentos mueven el aire más cálido hacia arriba y el flujo de calor es positivo.

Cómo la turbulencia es capaz de mover el calor verticalmente por flujo de calor turbulento para la caja nocturna con enfriamiento superficial. Los subíndices p y e se refieren a paquetería y medio ambiente, respectivamente. θ 'es siempre θ de la parcela antes de que se mueva menos θ de su nuevo entorno a su nueva altura. Los remolinos mueven el aire tanto hacia abajo (panel izquierdo) como hacia arriba (panel derecho). En ambos casos, el flujo de calor neto es descendente. Tenga en cuenta que los remolinos circulan en la vertical y por lo tanto normalmente mueven el aire tanto hacia arriba como hacia abajo como se muestra en las figuras al mismo tiempo. Crédito: W. Brune

Caso nocturno con enfriamiento superficial tal que θ/z > 0θ/z > 0 (ver figura anterior). Los remolinos hacen que los paquetes aéreos intercambien lugares verticalmente. Mueven algunos paquetes aéreos hacia abajo,

para\[w^{\prime}<0\] y\[\theta^{\prime}>0: \overline{w^{\prime} \theta^{\prime}}<0\]

y algunos arriba,

para\[w^{\prime}>0\] y\[\theta^{\prime}<0: \quad \overline{w^{\prime} \theta^{\prime}}<0\]

Ambos procesos están ocurriendo simultáneamente. Si las parcelas de aire se mezclan a sus nuevas alturas, mueven el aire más cálido hacia abajo (panel izquierdo arriba) o el aire más frío hacia arriba (panel derecho arriba), y en ambos casos, mueven el calor hacia abajo. Así, cuando la temperatura potencial aumenta con la altura (es decir, es subadiabática), los remolinos turbulentos mueven el aire más cálido hacia abajo y el flujo de calor es negativo.

Vemos que por movimientos turbulentos, la energía térmica tiende a fluir de una temperatura media más alta a una temperatura media más baja, o para decirlo de otra manera, por el gradiente del valor medio.

Entonces, el flujo de calor nos\(\overline{w^{\prime} \theta^{\prime}}\) habla del transporte de energía térmica por remolinos.

Tenga en cuenta que el transporte está en la dirección de los valores más altos a los valores más bajos para la temperatura potencial media. El flujo de calor es la forma en que el calor sensible se transfiere a la troposfera libre en el presupuesto energético de la atmósfera. El flujo de calor combinado con el flujo de humedad crean condiciones que pueden conducir a tormentas eléctricas y clima severo.

Vea el siguiente video (1:49) para una mayor discusión sobre el flujo de calor de Eddy:

Flujo de calor Eddy

Haga clic aquí para ver la transcripción del flujo de calor Eddy.

Los flujos Eddy son uno de los conceptos más importantes en la capa límite planetaria porque son responsables de la mayor parte del transporte vertical de todo en la capa límite planetaria, tanto esas cosas que salen de la superficie, como aquellas cosas que regresan a la Tierra. En la horizontal, los vientos medios hacen la mayor parte del transporte. Pero en la vertical, los remolinos hacen la mayor parte del transporte. Veamos el transporte de temperatura potencial, que es lo mismo que el transporte de energía térmica, o calor. Considere primero un perfil de temperatura potencial corporal súper Eddy, es decir, uno en el que la temperatura potencial disminuye con la altura. Obtenemos este tipo de perfiles en días calurosos y soleados. Por lo general, los remolinos bajan un poco de aire y otro aire hacia arriba. Una parcela de aire ciclada es más cálida que el aire circundante, por lo que la perturbación a la temperatura potencial, que es solo la diferencia entre la temperatura potencial de la parcela menos la temperatura potencial del aire circundante, es positiva. La perturbación al viento vertical también es positiva, ya que se está levantando la parcela aérea. Para que el producto de w prime y theta prime sea positivo. El remolino también mueve el aire más frío hacia un entorno más cálido. Entonces la perturbación negativa al viento vertical trae una perturbación negativa a la temperatura potencial, y el producto de que estas dos perturbaciones —dos negativos— es positivo. Tomando juntas estas dos partes del remolino, vemos que el aire frío ha reemplazado al aire caliente a la altura más baja, y el aire más cálido ha reemplazado al aire más frío a la mayor altura, y así el flujo de Foucault es ascendente. Convénzase de que el dibujo en la figura 11.6 todos dan flujo de calor descendente.