¿Cuáles son las causas de las ráfagas de viento?

Question

Una diferencia de temperatura provoca diferentes presiones, el aire viaja de alta a baja presión, y eso es el viento.

Incluso podemos producir viento en un experimento como en este vídeo . En este vídeo, ¿cuál es la forma en que puede producir ráfagas?

Para aumentar la velocidad del viento, debe aumentar el gradiente de presión en este lugar local, pero es imposible cambiar la temperatura en estos lugares tan rápido, cada vez que una ráfaga golpea.

No tengo claro qué causa las ráfagas. ¿Es un aumento repentino de la velocidad del viento que dura unos segundos en superficies planas, como el mar, el lago, el desierto y el hielo?

Este vídeo es un ejemplo cuando llegan las ráfagas.

Answer 1

En este artículo de Wikipedia ,

Las turbulencias están causadas por un exceso de energía cinética en partes de un flujo de fluido, que supera el efecto amortiguador de la viscosidad del fluido. Por esta razón, la turbulencia se produce normalmente en fluidos de baja viscosidad.

Pregunta tú:

No me queda claro qué causan las ráfagas, aumento repentino de la velocidad del viento que dura unos segundos en superficies planas como el mar, el lago, el desierto, el hielo

Cualitativamente, se trata de turbulencias a pequeña escala, tanto en superficie como en energía en el flujo. Estoy seguro de que, si observamos una gran zona de "mar, lago, desierto, hielo", en el momento en que veamos la ráfaga local, habrá más de estas de repente ráfagas.

Answer 2

Es necesario aclarar algunos puntos. A pesar de que los detalles de la turbulencia aún no se conocen del todo, podemos decir algo sobre el movimiento cualitativo o medio de los fluidos incluso cuando se produce turbulencia.

1. El vídeo enlazado en su respuesta puede explicarse por la flotabilidad. Puede relacionarse con los mecanismos de (in)estabilidad en los fluidos y el movimiento macroscópico del flujo, más que con la turbulencia.

   Empecemos con un problema de juguete, con un fluido confinado entre dos planos horizontales a diferentes temperaturas, con una temperatura más cálida en la pared inferior:

   • cuando el salto de temperatura es inferior a un valor crítico, se establece un gradiente de temperatura en el fluido, sin movimiento alguno; esta situación corresponde a un equilibrio estable del sistema;
   • cuando el salto de temperatura supera ese valor crítico, se produce la primera inestabilidad; el equilibrio pierde su estabilidad y aparecen células convectivas en el fluido: en algunas regiones del flujo cercanas a la pared inferior, el fluido es más caliente y menos denso que el fluido circundante, y tiende a moverse hacia arriba por flotabilidad; a medida que el fluido se acerca a la pared superior de baja T, la temperatura de la partícula de fluido disminuye; ahora, más densa que antes y que las regiones circundantes, la partícula de fluido tiende a moverse hacia abajo, hacia la pared inferior de alta T; al pasar cerca de la pared inferior, las partículas de fluido absorben calor de nuevo, su temperatura aumenta y su densidad disminuye y está lista para moverse hacia arriba de nuevo por flotabilidad.

   

   En este caso se produce el mismo mecanismo: movimiento ascendente sobre el recipiente caliente, aspirando aire de las regiones circundantes. Sospecho también que el recipiente con hielo es bastante irrelevante para el problema, o al menos tiene un "efecto de orden superior".

2. Gradiente de presión, tensiones viscosas y fuerzas de volumen no están directamente relacionadas con la velocidad del fluido, sino que son relacionada con la aceleración de las partículas materiales . Se puede realizar fácilmente, escribiendo la ecuación de momento en forma diferencial convectiva

   $\rho D_t \mathbf{v} = + \rho \mathbf{g} -\nabla P + \mathbf{s_n}$ ,

   en $D_t \mathbf{v} = \mathbf{a}$ la aceleración de las partículas materiales, $\rho$ la densidad del fluido, $\mathbf{g}$ la fuerza por unidad de masa, $P$ la presión, $\mathbf{s_n}$ el vector de tensión viscosa.

   Así, cuando se desplaza en una gran región del espacio, puede encontrar fluido en movimiento a una velocidad bastante rápida (fuerte ráfaga de chorro, o), incluso si no hay un fuerte gradiente de presión local. El fluido se acelera a gran distancia para alcanzar esa velocidad. Estas corrientes térmicas (corrientes ascendentes) pueden producirse sobre superficies calientes, como zonas de aparcamiento, cuando se vuela a altitudes bastante bajas.

3. Experimentas una ráfaga repentina porque vuelas normalmente a una velocidad bastante alta, de modo que te encuentras con esas regiones del fluido durante un intervalo de tiempo muy pequeño.

Answer 3

En primer lugar, hay que tener en cuenta que el flujo, aunque en realidad está impulsado por las diferencias de temperatura entre los trópicos y las latitudes más altas a escala global, en realidad es mayoritariamente a lo largo de las isobaras en latitudes medias, no a través de ellas. Esto significa que el flujo no va de un lugar de mayor presión a otro de menor presión, sino principalmente alrededor de los mínimos y máximos de presión. Esto se debe a que, a gran escala, las fuerzas relevantes son la fuerza de presión y la fuerza de Coriolis. Esto conduce al equilibrio geostrófico. En la capa límite planetaria (los ~2 km más bajos), el flujo se desvía en cierta dirección hacia la baja presión, porque la fuerza de fricción turbulenta también desempeña un papel importante. Pero no por encima de la capa límite.

Las ráfagas de viento se deben a las turbulencias, movimientos caóticos e imprevisibles de los fluidos que provocan fuertes mezclas y fricciones. En un comentario preguntó "¿Por qué la turbulencia está relacionada con la ráfaga, la ráfaga no es caótica, tiene la misma dirección que el viento, sólo aumenta la velocidad?". La ráfaga es muy local, cuando se mira desde la distancia, puede ser una gran estructura turbulenta, pero una estructura turbulenta no obstante. Los mayores vórtices turbulentos en los flujos atmosféricos turbulentos tienen un tamaño de ~km. Contienen la mayor parte de la energía. Debido a la naturaleza caótica de la turbulencia, dan lugar a aumentos repentinos de la velocidad del viento en varias partes de la región del flujo.

La turbulencia se desarrolla debido a inestabilidades en el flujo causadas normalmente por diferencias en el vector del viento de un lugar a otro (cizalladura del viento) o diferencias de densidad/temperatura. - a menudo la superficie caliente de la Tierra frente a la más fría (pero es más complicado debido a la compresibilidad).

Por tanto, aunque no haya efectos de temperatura/densidad ( estratificación neutra ), habrá turbulencias debidas a la cizalladura del viento. Si hay viento, siempre hay cizalladura, porque la velocidad del viento en la superficie es cero. Si el número de Reynolds es suficientemente alto, y en la atmósfera siempre lo es, habrá turbulencias causadas por las diferencias de velocidad del flujo de un lugar a otro. Si además tenemos en cuenta el efecto estabilizador de una estratificación estable de la temperatura, la inestabilidad es la Inestabilidad Kelvin-Helmholtz (K-H) que provoca turbulencias si la cizalladura del viento es lo suficientemente grande en comparación con la estratificación (la relación es la Número Richardson ).

Véase esta demostración de laboratorio de la inestabilidad K-H La misma inestabilidad crea todas las turbulencias ordinarias cuando cualquier objeto se mueve en el aire. Las turbulencias que nos rodean a nosotros, a los coches y a los aviones.

La turbulencia también puede deberse a la convección térmica aunque no haya viento medio horizontal. La convección térmica se produce cuando la estratificación térmica se vuelve inestable debido al flujo de calor positivo procedente de la superficie caliente. Desgraciadamente, en un fluido compresible (como el aire) la situación se complica por la compresibilidad y hay que fijarse en los perfiles del temperatura potencial y no la temperatura. En una atmósfera bien mezclada, la temperatura potencial es constante, pero la temperatura disminuye un grado centígrado por cada 100 m de altura. El resultado de la convección son las térmicas ascendentes y los penachos de aire caliente en los que les gusta volar a los pájaros y a los planeadores. Las ráfagas de viento pueden deberse a las turbulencias producidas por la temperatura.

Muestra mi simulación de convección térmica en la atmósfera con nubes poco profundas. No hay viento medio, sólo turbulencia térmica. Temperatura potencial, humedad, agua líquida, velocidad vertical.

Cuando la convección térmica se hace muy fuerte debido a una estratificación muy inestable, pueden desarrollarse tormentas. Éstas tienen su propio flujo de viento complicado, muy turbulento, que puede provocar fuertes ráfagas. El origen es la convección térmica, sólo que complicada por la complicada termodinámica del agua en las nubes.

Además, el flujo a gran escala, mencionado al principio de la respuesta, suele crear frentes entre aire más cálido y más frío. En estos frentes, los patrones meteorológicos se desarrollan a mayor escala y, especialmente, los frentes fríos provocan una estratificación localmente inestable y, por tanto, convección y tormentas y, por tanto, ráfagas de viento.