Viento en la capa límite. La turbulencia.

Importancia de la turbulencia

El viento es una de las variables más importantes para comprender los procesos atmosféricos. El efecto que tiene este en la superficie terrestre provocan mecanismos que generan turbulencia y pueden ser peligrosos para el tráfico aéreo o formar estructuras nubosas muy caracteristicas. La turbulencia es una de las causas que con mayor frecuencia causa daños a pasajeros y a los aviones, siendo sustancial el gasto que ello supone para las compañías aéreas, aunque solo ocasionalmente producen daños catastróficos.

Desde Meteoclim sabemos de la importancia de los procesos turbulentos en la propagación de incendios. En esta nueva entrada describiremos los procesos turbulentos básicos en la capa límite de la atmósfera.

Primero debemos definir la capa límite atmosférica, siendo esta la parte de la atmósfera que está en contacto con la superficie de la Tierra. Por tanto se sitúa en la parte inferior de la Troposfera.

Capa límite de la atmósfera

El espesor de la capa límite es variable tanto en el espacio como en el tiempo. Se extiende entre 1 y 2 km por encima de la superficie de la Tierra, pero puede alcanzar desde decenas de metros hasta 4 km.

En esta capa tienen lugar los procesos turbulentos, que provocan movimientos del aire que permiten difusión y transporte de energía y materia hasta su límite superior. Este límite es una potente inversión térmica que la separa de la atmósfera libre por encima de ella, donde queda atrapada la polución, humedad y turbulencia evitando que se traslade al resto de la troposfera, la llamada atmósfera libre.

El espesor es determinado por varios factores dinámicos y físicos, por lo tanto es muy cambiante. La superficie de la Tierra actúa como fuente de calor y humedad para la atmósfera libre, puesto que mediante los procesos de mezcla generados por la turbulencia se propaga hacia arriba; pero al mismo tiempo por el rozamiento con la superficie, actúa como sumidero de energía cinética, de calor y de humedad. Las escalas de tiempo de estos procesos oscilan entre una hora o menos hasta varias horas.

Por otra parte, las porciones de atmósfera que se mantienen durante varios días sobre una misma superficie con unas características específicas, adquieren en su capa límite valores de temperatura y humedad homogéneos que se propagan a la atmósfera libre sobre ella y permiten identificar este volumen de aire con su fuente. Son las masas de aire clasificadas en meteorología según su origen y magnitud de las variables de temperatura y humedad.

La distribución media mundial de las masas de aire y la localización de las mismas puede verse en la figura siguiente. La distribución térmica global y la posición de los continentes determinan sus características y permiten situar los tipos de masas de aire.

Masas de aire. Turbulencia. COMET.
Figura 1: Origen de las masas de aire de la Tierra. Fuente The COMET Program

Turbulencia

La turbulencia, intrínseca a la capa límite y responsable de la comunicación entre la superficie y el aire, permite que rápidamente el aire adquiera las características de la superficie subyacente. Los movimientos turbulentos son complejos y consisten en una serie de remolinos, movimientos no lineales que crean movimientos caóticos, casi aleatorios. El estudio de estos movimientos de forma individual es casi inabordable, sin embargo, si se estudian en promedio se pueden observar esquemas y similitudes que sí pueden ser medidas y descritas. Un ejemplo de turbulencia son los remolinos generados al incidir el flujo de aire húmedo sobre obstáculos geográficos produciendo nubes rotor o vórtices Von Karman(Figura 2). Vamos a centrarnos en escalas más pequeñas dónde podremos entender mejor las diferencias entre flujo laminar y turbulento.

Figura 2: GIF de efecto Von Karman en la Isla de Guadalupe (Fuente @weatherdak Twitter)

Flujo laminar y flujo turbulento

El flujo laminar es aquel en que las líneas de corriente son paralelas unas a otras y no se cruzan entre sí. Por su parte, el flujo turbulento es aparentemente aleatorio, las líneas de corriente no son paralelas entre sí, forman remolinos de diferente tamaño que se generan y desaparecen de forma casi constante. El paso de un flujo a otro puede venir definido por la velocidad y la viscosidad pero también por la naturaleza de los procesos que lo generan.

Flujo laminar, turbulento. COMET
Turbulencia
Capa límite
Figura 3: Representación conceptual de flujos laminares y turbulentos en la capa límite; Fuente: The Comet Program

En la capa límite atmosférica coexisten ambos flujos (Figura 4), el flujo laminar en la zona inmediatamente en contacto con la superficie de la tierra, adherida a las superficies que se extiende unos pocos centímetros y el flujo turbulento por encima de ella, formando el resto de la capa límite.

Capa límite. MetOffice
Viento turbulento
Figura 4: Flujo laminar en la base de la capa límite. Fuente Course notes. MetOffice “Boundary layer meteorology”

El flujo turbulento presenta una distribución característica, remolinos de pequeña escala de apenas unos milímetros de diámetro justo por encima de la capa laminar, que van aumentando de diámetro a medida que aumenta la altura (Figura 5). Por encima de la capa límite, encontramos de nuevo flujo no perturbado, no turbulento.

Flujo turbulento. MetOffice
Capa límite atmosférica
Figura 5: Flujo turbulento en la capa límite. Fuente Course notes. MetOffice “Boundary layer meteorology”

El rozamiento con la superficie es la causa de que el viento sea cero cerca del suelo y vaya incrementando su valor con la altura. El perfil vertical del viento dependerá de la rugosidad de la superficie y de la convección.

Mecanismos que generan turbulencia

La turbulencia puede ser generada por diferentes mecanismos y cada uno de estos procesos dará lugar a un diferente tipo de movimiento con características propias. Los mecanismos generadores pueden ser:

Mecánicos: La turbulencia mecánica, denominada también convección forzada, se genera al producirse cizalladura (cambio de dirección o velocidad del viento) en el seno de un flujo inicialmente no turbulento. Esta cizalladura tiene su origen:
– En el rozamiento del aire con la superficie por lo que los vientos se ralentizan mucho más cerca de la superficie que por encima de ella.
– En estelas de turbulencia tras un obstáculo como árboles, edificios o islas en el seno del propio aire, lejos de obstáculos por cambios de velocidad en el flujo.

Turbulencia Térmica, Turbulencia Mecánica
Figura 6: Representación conceptual de la turbulencia convectiva o térmica (arriba) y la turbulencia mecánica (abajo). Fuente: The COMET Program

Como ejemplo de turbulencia mecánica os mostramos una imagen de nuestro modelo WRF de 1 km de resolución representando el comportamiento del viento. Se puede observar como las Islas Canarias hacen de obstáculo y forman estelas de turbulencia.

Modelo mesoescalar alta resolución 
de Meteoclim Viento
Turbulencia
Figura 7: Imagen de modelo mesoescalar de 1 km de resolución que permite visualizar el comportamiento previsto del campo de viento por el mecanismo de turbulencia mecánica. Fuente: Meteoclim

Térmicos: La turbulencia térmica o convectiva, denominada también convección libre consiste en corrientes ascendentes de aire cálido y corrientes de aire frío que descienden por efecto de la flotabilidad.
Las corrientes ascendentes de aire se forman cerca del suelo debido al calentamiento del aire próximo a la superficie. Este calentamiento provoca que el aire sea más caliente que el del entorno y se empieza a elevar por ser menos denso. Este proceso se produce en varios puntos próximos por lo cual aparecen varias corrientes ascendentes a modo de cortinas. La intersección de estas corrientes genera un único movimiento ascendente que podemos identificar como un penacho con un diámetro de un centenar de metros.
En niveles más altos dentro de la capa límite, estos penachos tienden a agruparse para formar corrientes ascendentes de mayor diámetro, del orden de un kilómetro, que se conocen como térmicas. Algunas de estas corrientes ascendentes, siempre que tengan suficiente contenido de humedad para alcanzar el nivel de condensación, se hacen visibles por la formación de cúmulos.

Cumulos, Turbulencia.
Capa límite de la atmósfera
Figura 8: Formación de cúmulos por convección térmica. Fuente The COMET Program

Inerciales: La turbulencia inercial se genera en los bordes de remolinos de mayor tamaño en el momento en que parte de la energía de ellos se pierde para generar nuevos remolinos menores. Este tipo de turbulencia es un tipo especial de turbulencia mecánica, cizalladura generada por un remolino ya existente.

Disipación de la turbulencia

Como todo movimiento, la turbulencia tiene asociada una determinada energía cinética que es diferente según sean las dimensiones del remolino. Esta energía cinética turbulenta no se conserva y se disipa interna y continuamente debido a la viscosidad del fluido. La disipación produce la desaparición de la turbulencia y se produce en los remolinos de menor dimensión.

Por tanto, recordando el mecanismo de generación de turbulencia inercial que implica la pérdida de energía de los remolinos de mayor tamaño para formar los de menor tamaño y teniendo en cuenta que en estos últimos se disipa la energía, para que exista turbulencia deben existir continuamente los procesos de generación mecánicos y térmicos a mayor escala. En caso contrario una vez disipada la turbulencia en los remolinos pequeños dejaría de existir.

Referencias

https://www.meted.ucar.edu/avn_int/turbulence_es/index.htm

https://www.meted.ucar.edu/fire/s290/unit7_es/navmenu.php?tab=4&page=3-1-0&type=flash

Paquete de Instrucción Básica para Meteorólogos. AEMet

Meteorología Aeronaútica. Blanca González López. Editorial: Actividades Varias Aeronáuticas

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