dinámica de fluidos geofísicos

La dinámica de fluidos geofísicos , en su sentido más amplio, es la aplicación de la dinámica de fluidos a flujos que ocurren naturalmente, como la lava, los océanos y las atmósferas , en la Tierra y otros planetas . ^{[ 1 ]}

Dos características físicas comunes a muchos de los fenómenos estudiados en la dinámica de fluidos geofísicos son la rotación del fluido debido a la rotación planetaria y la estratificación (formación de capas).

Las aplicaciones de la dinámica de fluidos geofísicos generalmente no incluyen la circulación del manto , que es objeto de la geodinámica , ni los fenómenos de fluidos en la magnetosfera . La circulación oceánica y la circulación atmosférica se estudian típicamente en oceanografía y meteorología.

Fundamentos

Para describir el flujo de fluidos geofísicos, se necesitan ecuaciones para la conservación del momento (o segunda ley de Newton ) y la conservación de la energía . La primera conduce a las ecuaciones de Navier-Stokes , que aún no se pueden resolver analíticamente. Por lo tanto, generalmente se realizan aproximaciones adicionales para poder resolver estas ecuaciones. Primero, se supone que el fluido es incompresible . Sorprendentemente, esto funciona bien incluso para un fluido altamente compresible como el aire, siempre que se puedan ignorar las ondas sonoras y de choque . ^{[ 2 ]}^{: 2–3} Segundo, se supone que el fluido es un fluido newtoniano , lo que significa que existe una relación lineal entre el esfuerzo cortante $τ$ y la deformación $u$ , por ejemplo

\tau =\mu {\frac {du}{dx}},

donde $μ$ es la viscosidad . ^{[ 2 ]}^{: 2–3} Bajo estas suposiciones, las ecuaciones de Navier-Stokes son

\overbrace {\rho {\Big (}\underbrace {\frac {\partial \mathbf {v} }{\partial t}} _{\begin{smallmatrix}{\text{Aceleración}}\\{\text{euleriana}}\end{smallmatrix}}+\underbrace {\mathbf {v} \cdot \nabla \mathbf {v} } _{\begin{smallmatrix}{\text{Advección}}\end{smallmatrix}}{\Big )}} ^{\text{Inercia (por volumen)}}=\overbrace {\underbrace {-\nabla p} _{\begin{smallmatrix}{\text{Gradiente}}\\{\text{de}}\end{smallmatrix}}+\underbrace {\mu \nabla ^{2}\mathbf {v} } _{\text{Viscosidad}}} ^{\text{Divergencia de tensión}}+\underbrace {\mathbf {f} } _{\begin{smallmatrix}{\text{Otras}}\\{\text{fuerzas}}\\{\text{del}}\\cuerpo}}\end{smallmatrix}}.

El lado izquierdo representa la aceleración que experimentaría una pequeña porción de fluido en un sistema de referencia que se mueve con ella (un sistema de referencia lagrangiano ). En un sistema de referencia estacionario (euleriano), esta aceleración se divide en la tasa de cambio local de la velocidad y la advección , una medida de la tasa de flujo dentro o fuera de una pequeña región. ^{[ 2 ]}^{: 44–45}

La ecuación de conservación de la energía es esencialmente una ecuación de flujo de calor. Si el calor se transporta por conducción , el flujo de calor se rige por una ecuación de difusión . Si también hay efectos de flotabilidad , por ejemplo, aire caliente que asciende, entonces puede ocurrir convección natural , también conocida como convección libre. ^{[ 2 ]}^{: 171} La convección en el núcleo externo de la Tierra impulsa la geodinamo que es la fuente del campo magnético terrestre . ^{[ 3 ]}^{: Capítulo 8} En el océano, la convección puede ser térmica (impulsada por el calor), halina (donde la flotabilidad se debe a diferencias de salinidad) o termohalina , una combinación de ambas. ^{[ 4 ]}

Flotabilidad y estratificación

Ondas internas en el estrecho de Messina (fotografiadas por ASTER ).

El fluido menos denso que su entorno tiende a ascender hasta alcanzar la misma densidad. Si el sistema recibe poca energía, tenderá a estratificarse . A gran escala, la atmósfera terrestre se divide en varias capas . De arriba hacia abajo, estas son la troposfera , la estratosfera , la mesosfera , la termosfera y la exosfera . ^{[ 5 ]}

La densidad del aire está determinada principalmente por la temperatura y el contenido de vapor de agua ; la del agua de mar, por la temperatura y la salinidad ; y la del agua de los lagos, por la temperatura. En las zonas de estratificación, pueden existir capas delgadas en las que la temperatura u otra propiedad varía más rápidamente con la altura o la profundidad que el fluido circundante. Según las principales fuentes de flotabilidad, esta capa puede denominarse picnoclina (densidad), termoclina (temperatura), haloclina (salinidad) o quimioclina (química, incluida la oxigenación).

La misma flotabilidad que da origen a la estratificación también genera ondas gravitatorias . Si las ondas gravitatorias se producen dentro del fluido, se denominan ondas internas . ^{[ 2 ]}^{: 208–214}

En la modelización de flujos impulsados por flotabilidad, las ecuaciones de Navier-Stokes se modifican utilizando la aproximación de Boussinesq . Esta ignora las variaciones de densidad, excepto cuando se multiplican por la aceleración gravitatoria $g$ . ^{[ 2 ]}^{: 188}

Si la presión depende únicamente de la densidad y viceversa, la dinámica de fluidos se denomina barotrópica . En la atmósfera, esto corresponde a la ausencia de frentes, como en los trópicos . Si existen frentes, el flujo es baroclínico y pueden producirse inestabilidades como los ciclones . ^{[ 6 ]}

Rotación

Circulación general

Ondas

Barotrópico

Baroclínica

Onda gravitatoria

Véase también

Laboratorio de Dinámica de Fluidos Geofísicos

Referencias

↑ Vallis, Geoffrey K. (24 de agosto de 2016). "Dinámica de fluidos geofísicos: ¿de dónde, hacia dónde y por qué?" . Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences . 472 (2192) 20160140. Bibcode : 2016RSPSA.47260140V . doi : 10.1098/rspa.2016.0140 . PMC 5014103. PMID 27616918 .
1 2 3 4 5 6 Tritton, DJ (1990). Dinámica de fluidos físicos (Segunda edición). Oxford University Press . ISBN 0-19-854489-8.
↑ Merrill, Ronald T.; McElhinny, Michael W.; McFadden, Phillip L. (1996). El campo magnético de la Tierra: paleomagnetismo, el núcleo y el manto profundo . Academic Press . ISBN 978-0-12-491246-5.
↑ Soloviev, A.; Klinger, B. (2009). «Circulación en mar abierto». En Thorpe, Steve A. (ed.). Enciclopedia de ciencias oceánicas: elementos de oceanografía física . Londres: Academic Press. pág. 414. ISBN 978-0-12-375721-0.
↑ Zell, Holly (2015-03-02). "Atmósfera superior de la Tierra" . NASA . Consultado el 2017-02-20 .
↑ Haby, Jeff. "Barotrópico y baroclínico definidos" . Consejos de Haby para la predicción del tiempo . Consultado el 17 de agosto de 2017 .

Lecturas adicionales

Cushman-Roisin, Benoit; Beckers, Jean-Marie (octubre de 2011). Introducción a la dinámica de fluidos geofísicos: aspectos físicos y numéricos (segunda edición). Academic Press . ISBN 978-0-12-088759-0Archivado del original el 11 de septiembre de 2011. Consultado el 14 de octubre de 2010 .
Gill, Adrian E. (1982). Atmósfera: Dinámica oceánica ([Nachdr.] ed.). Nueva York: Academic Press. ISBN 978-0-12-283522-3.
McWilliams, James C. (2006). Fundamentos de la dinámica de fluidos geofísicos . Cambridge: Cambridge Univ. Press. ISBN 978-0-521-85637-9.
Monin, AS (1990). Dinámica teórica de fluidos geofísicos . Dordrecht: Springer Netherlands. ISBN 978-94-009-1880-1.
Pedlosky, Joseph (2012). Dinámica de fluidos geofísicos . Springer Science & Business Media. ISBN 978-1-4684-0071-7.
Salmon, Rick (1998). Lecciones sobre dinámica de fluidos geofísicos . Oxford University Press. ISBN 978-0-19-535532-1.
Vallis, Geoffrey K. (2006). Dinámica de fluidos atmosféricos y oceánicos: fundamentos y circulación a gran escala ( Edición reimpresa). Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-84969-2.

Enlaces externos

Programa de Dinámica de Fluidos Geofísicos ( Institución Oceanográfica Woods Hole )
Laboratorio de Dinámica de Fluidos Geofísicos ( Universidad de Washington )

[1] Vallis, Geoffrey K. (24 de agosto de 2016). "Dinámica de fluidos geofísicos: ¿de dónde, hacia dónde y por qué?" . Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences . 472 (2192) 20160140. Bibcode : 2016RSPSA.47260140V . doi : 10.1098/rspa.2016.0140 . PMC 5014103. PMID 27616918 .

[Tritton-2] 1 2 3 4 5 6 Tritton, DJ (1990). Dinámica de fluidos físicos (Segunda edición). Oxford University Press . ISBN 0-19-854489-8.

[Merrill-3] Merrill, Ronald T.; McElhinny, Michael W.; McFadden, Phillip L. (1996). El campo magnético de la Tierra: paleomagnetismo, el núcleo y el manto profundo . Academic Press . ISBN 978-0-12-491246-5.

[4] Soloviev, A.; Klinger, B. (2009). «Circulación en mar abierto». En Thorpe, Steve A. (ed.). Enciclopedia de ciencias oceánicas: elementos de oceanografía física . Londres: Academic Press. pág. 414. ISBN 978-0-12-375721-0.

[5] Zell, Holly (2015-03-02). "Atmósfera superior de la Tierra" . NASA . Consultado el 2017-02-20 .

[Haby-6] Haby, Jeff. "Barotrópico y baroclínico definidos" . Consejos de Haby para la predicción del tiempo . Consultado el 17 de agosto de 2017 .

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