Estratificación estable e inestable

Un modelo sencillo de una estratificación inestable que se transforma en una estable (en fluidos inmiscibles , como el aceite y el agua, o la cera y el agua de una lámpara de lava ). Nótese la presencia de columnas de inestabilidad de Rayleigh-Taylor (con cabezas en forma de hongo) en ambos colores y direcciones.

Una mano humana calienta el aire. El aire caliente se encuentra debajo del aire frío, una estratificación inestable, por lo que el aire calentado por la mano asciende y el aire frío desciende, provocando convección .

Una bebida con estratificación estable, compuesta de leche fría, café caliente y crema. La capa menos densa se encuentra en la parte superior. La leche y el café se mezclan lentamente para formar nuevas capas difusas, visibles en tonos intermedios de marrón, a medida que la leche se calienta y el café se enfría en la interfaz.

Las capas difusivas pueden estar mezcladas de forma homogénea internamente, pero cada capa es diferente de la siguiente. Esto da lugar a perfiles escalonados en las propiedades físicas (en este caso, temperatura y salinidad; en la foto anterior, color).

La estratificación estable de los fluidos se produce cuando cada capa es menos densa que la que está debajo. La estratificación inestable se produce cuando cada capa es más densa que la que está debajo.

Las fuerzas de flotación tienden a mantener una estratificación estable; las capas superiores flotan sobre las inferiores. En cambio, en una estratificación inestable, las fuerzas de flotación provocan convección . Las capas menos densas ascienden a través de las más densas superiores, y estas últimas descienden a través de las menos densas inferiores. La estratificación puede volverse más o menos estable si la densidad de las capas cambia. Estos procesos son importantes en numerosos campos de la ciencia y la ingeniería.

Las estratificaciones estables pueden volverse inestables si las capas cambian de densidad. Esto puede ocurrir debido a influencias externas (por ejemplo, si el agua se evapora de una lente de agua dulce , volviéndola más salada y densa, o si una olla o una bebida estratificada se calienta desde abajo, disminuyendo la densidad de la capa inferior). Sin embargo, también puede ocurrir debido a la difusión interna del calor (la capa más caliente calienta lentamente la adyacente más fría) u otras propiedades físicas. Esto suele provocar la mezcla en la interfaz, creando nuevas capas difusivas (véase la foto del café y la leche).

En ocasiones, dos propiedades físicas se difunden simultáneamente entre capas ; por ejemplo, la sal y la temperatura. Esto puede formar capas difusivas o incluso ramificaciones de sal , cuando las superficies de las capas difusivas se vuelven tan onduladas que aparecen "dedos" de capas que se extienden hacia arriba y hacia abajo.

No toda la mezcla se debe a cambios de densidad. Otras fuerzas físicas también pueden mezclar capas estratificadas estables. El rocío marino y las crestas blancas (espuma blanca en las olas) son ejemplos de agua mezclada con aire y aire con agua, respectivamente. En una tormenta intensa, el límite aire/agua puede volverse indistinto. Algunas de estas olas de viento son olas de Kelvin-Helmholtz . ^{[ 1 ]}

Dependiendo de la magnitud de la diferencia de velocidad y del contraste de densidad entre las capas, las ondas de Kelvin-Helmholtz pueden tener un aspecto diferente. Por ejemplo, entre dos capas de aire o dos capas de agua, la diferencia de densidad es mucho menor y las capas son miscibles; véase el vídeo del modelo en blanco y negro.

Cuando dos capas estratificadas estables se mueven una con respecto a la otra, pueden formarse ondas de Kelvin-Helmholtz en la interfaz. Estos patrones también se observan en otros planetas. ^{[ 1 ]}

Estas nubes trazan las ondas de Kelvin-Helmholtz entre dos capas térmicamente estratificadas de la atmósfera.

La estratificación se observa comúnmente en las ciencias planetarias.

La energía solar se transmite como radiación visible a través del aire y es absorbida por el suelo, para luego ser reemitida como radiación térmica. Por lo tanto, la atmósfera inferior se calienta desde abajo (la absorción de rayos UV en la capa de ozono calienta dicha capa desde dentro). El aire exterior suele estar, por consiguiente, estratificado de forma inestable y en convección, lo que genera viento. Las inversiones térmicas son un fenómeno meteorológico que se produce cuando una zona de la atmósfera inferior se estratifica de forma estable y, por lo tanto, deja de moverse. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

Los océanos, por otro lado, se calientan desde arriba y suelen estar estratificados de forma estable. Solo cerca de los polos se hunde el agua más fría y salada. Las aguas profundas del océano se calientan y se vuelven menos salinas lentamente mediante la mezcla interna (una forma de doble difusión ^{[ 4 ]} ), y luego vuelven a ascender a la superficie.

Ejemplos:

• Estratificación (agua)
  • La estratificación oceánica es la formación de capas de agua en función de la temperatura y la salinidad en los océanos.
  • La estratificación lacustre es la formación de capas de agua en función de la temperatura, con mezcla en primavera y otoño en climas estacionales.
• inestabilidad atmosférica
• La estratificación atmosférica es la división de las capas superiores de la atmósfera terrestre en capas estratificadas de forma estable.
• Circulación atmosférica , causada por la estratificación inestable de la atmósfera.
• Circulación termohalina , circulación en los océanos a pesar de la estratificación estable.
• Flujos estratificados (como el flujo a través del Estrecho de Gibraltar )

En aplicaciones de ingeniería, la estratificación o convección estable puede ser deseable o no. En cualquier caso, puede manipularse deliberadamente. La estratificación puede afectar significativamente la mezcla de fluidos, ^{[ 5 ]} lo cual es importante en muchos procesos de fabricación.

• La calefacción por suelo radiante crea deliberadamente una estratificación inestable del aire en una habitación.
• La refrigeración pasiva se basa en fomentar y perturbar selectivamente la estratificación estable para enfriar las habitaciones.