capa superficial

La capa superficial es la capa de un fluido turbulento más afectada por la interacción con una superficie sólida o la superficie que separa un gas de un líquido, donde las características de la turbulencia dependen de la distancia a la interfaz. Las capas superficiales se caracterizan por grandes gradientes normales de velocidad tangencial y grandes gradientes de concentración de cualquier sustancia ( temperatura , humedad , sedimentos , etc.) transportada hacia o desde la interfaz.

El término capa límite se utiliza en meteorología y oceanografía física . La capa superficial atmosférica es la parte más baja de la capa límite atmosférica (normalmente el 10 % inferior donde el perfil logarítmico del viento es válido). El océano tiene dos capas superficiales: la bentónica , que se encuentra inmediatamente por encima del fondo marino , y la capa superficial marina , en la interfaz aire-mar .

Se puede derivar un modelo simple de la capa superficial examinando primero el flujo de momento turbulento a través de una superficie. ^{[ 1 ]} Utilizando la descomposición de Reynolds para expresar el flujo horizontal en la${\displaystyle x}$dirección como la suma de un componente que varía lentamente,${\displaystyle {\overline {u}}}$y un componente turbulento,${\displaystyle u'}$,

${\displaystyle u={\overline {u}}+u'}$^{[ 2 ]}

y el flujo vertical,${\displaystyle w}$, de manera análoga,

${\displaystyle w={\overline {w}}+w'}$

podemos expresar el flujo de momento turbulento a través de una superficie,${\displaystyle u_{*}}$, como la magnitud promedio en el tiempo del transporte turbulento vertical del momento turbulento horizontal,${\displaystyle u'w'}$:

${\displaystyle u_{*}^{2}=\left|{\overline {(u'w')_{s}}}\right|}$.

Si el flujo es homogéneo dentro de la región, podemos establecer el producto del gradiente vertical del flujo horizontal medio y el coeficiente de viscosidad turbulenta.${\displaystyle K_{m}}$igual a${\displaystyle u_{*}^{2}}$:

${\displaystyle K_{m}{\frac {\partial {\overline {u}}}{\partial z}}=u_{*}^{2}}$,

dónde${\displaystyle K_{m}}$se define en términos de la hipótesis de longitud de mezcla de Prandtl :

${\displaystyle K_{m}={\overline {\xi '^{2}}}\left|{\frac {\partial {\overline {u}}}{\partial z}}\right|}$

dónde${\displaystyle \xi '}$es la longitud de mezcla.

Entonces podemos expresar${\displaystyle u_{*}}$como:

${\displaystyle {\frac {\partial {\overline {u}}}{\partial z}}={\frac {u_{*}}{\overline {\xi '}}}}$.

De la figura anterior, podemos ver que el tamaño de un vórtice turbulento cerca de la superficie está limitado por su proximidad a la superficie; los vórtices turbulentos centrados cerca de la superficie no pueden ser tan grandes como los centrados más lejos de la superficie. A partir de esta consideración, y en condiciones neutras, es razonable suponer que la longitud de mezcla ,${\displaystyle \xi '}$es proporcional a la profundidad del remolino en la superficie:

${\displaystyle \xi '=kz}$,

dónde${\displaystyle z}$es la profundidad y${\displaystyle k}$se conoce como la constante de von Kármán . Por lo tanto, el gradiente se puede integrar para resolver${\displaystyle {\overline {u}}}$:

${\displaystyle {\overline {u}}={\frac {u_{*}}{k}}\ln {\frac {z}{z_{o}}}}$.

Así pues, observamos que el flujo medio en la capa superficial presenta una relación logarítmica con la profundidad. En condiciones no neutras, la longitud de mezcla también se ve afectada por las fuerzas de flotabilidad, y se requiere la teoría de similitud de Monin-Obukhov para describir el perfil del viento horizontal.

La capa superficial se estudia en oceanografía, ^{[ 3 ]} ya que tanto el esfuerzo del viento como la acción de las olas superficiales pueden causar la mezcla turbulenta necesaria para la formación de una capa superficial.

Los océanos del mundo están formados por muchas masas de agua diferentes . Cada una tiene características particulares de temperatura y salinidad como resultado del lugar donde se formaron. Una vez formada en una fuente particular, una masa de agua viajará cierta distancia a través de la circulación oceánica a gran escala. Típicamente, el flujo de agua en el océano se describe como turbulento (es decir, no sigue líneas rectas). Las masas de agua pueden viajar a través del océano como remolinos turbulentos, o parcelas de agua generalmente a lo largo de superficies de densidad constante (isopícnicas) donde el gasto de energía es mínimo. Cuando estos remolinos turbulentos de diferentes masas de agua interactúan, se mezclan. Con suficiente mezcla, se alcanza un equilibrio estable y se forma una capa mixta. ^{[ 4 ]} Los remolinos turbulentos también pueden producirse por la tensión del viento de la atmósfera sobre el océano. Este tipo de interacción y mezcla a través de la flotabilidad en la superficie del océano también juega un papel en la formación de una capa mixta superficial.

• Capa límite
• Capa mixta
• Densidad
• Salinidad
• microcapa de la superficie del mar