¿Qué causa ráfagas de viento?

Question

Una diferencia en la temperatura provoca diferentes presiones, el aire se desplaza de alta a baja presión, y eso es viento.

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

Para aumentar la velocidad del viento, debes 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 está claro para mí qué causa las ráfagas. ¿Es un aumento repentino en la velocidad del viento que dura unos segundos en superficies planas, como el mar, el lago, el desierto y el hielo?

Este video es un ejemplo de cuando vienen las ráfagas.

Answer 1

En este artículo de Wikipedia,

La turbulencia es causada por un exceso de energía cinética en partes de un flujo de fluido, que supera el efecto de amortiguación de la viscosidad del fluido. Por esta razón, la turbulencia se manifiesta comúnmente en fluidos de baja viscosidad

Tú preguntas:

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

Cualitativamente, es turbulencia a pequeña escala, tanto en área como en la energía en el flujo. Estoy seguro de que, si observas un área grande de "mar, lago, desierto, hielo", al momento de ver la ráfaga local, habrá más de estas ráfagas repentinas.

Answer 2

Algunos puntos necesitan ser aclarados aquí. A pesar de que los detalles muy específicos de la turbulencia aún no se comprenden completamente, de todos modos podemos decir algo sobre el movimiento cualitativo o promedio de los fluidos incluso cuando ocurre la turbulencia.

1. El video vinculado en tu respuesta puede ser explicado por la flotabilidad. Se puede relacionar con los mecanismos de (in)estabilidad en fluidos y el movimiento macroscópico del flujo, más que con la turbulencia.

   Empecemos con un problema simple, 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 menor que un valor crítico, se establece un gradiente de temperatura en el fluido, sin ningún movimiento; esta situación corresponde a un equilibrio estable del sistema;
   • cuando el salto de temperatura excede ese valor crítico, se produce la primera inestabilidad; el equilibrio pierde su estabilidad y aparecen celdas convectivas en el fluido: en algunas regiones del flujo cercanas a la pared inferior, el fluido es más cálido 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 inferior con baja temperatura, la temperatura de la partícula del fluido disminuye; ahora, más denso que antes y que las regiones circundantes, la partícula del fluido tiende a moverse hacia abajo hacia la pared inferior con alta temperatura; al pasar cerca de la pared inferior, las partículas del fluido absorben calor nuevamente, su temperatura aumenta y su densidad disminuye y está listo para moverse hacia arriba nuevamente por flotabilidad.

   

   El mismo mecanismo ocurre aquí: movimiento hacia arriba sobre el recipiente caliente, absorbiendo aire de las regiones circundantes. También sospecho que el recipiente con hielo es bastante irrelevante para el problema, o al menos tiene un "efecto de mayor orden".

2. El gradiente de presión, las tensiones viscosas y las fuerzas de volumen no están directamente relacionadas con la velocidad del fluido, pero están relacionadas con la aceleración de las partículas materiales. Puedes darte cuenta fácilmente, escribiendo la ecuación de momentum en forma convectiva diferencial

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

   siendo $D_t \mathbf{v} = \mathbf{a}$ 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 esfuerzo viscoso.

   Así que, cuando te mueves en una gran región del espacio, puedes encontrarte con fluido en movimiento a una velocidad bastante rápida (ráfaga de chorro fuerte, o), incluso si no hay un fuerte gradiente de presión local. El fluido se acelera en un rango bastante largo, para obtener esa velocidad. Puedes encontrar estos térmicos (corriente ascendente) sobre superficies calientes como áreas de estacionamiento, al volar a altitudes bastante bajas.

3. Experimentas ráfagas repentinas porque generalmente estás volando a una velocidad bastante alta, de modo que encuentras esas regiones del fluido por un intervalo de tiempo muy pequeño.

Answer 3

Primero ten en cuenta que el flujo, aunque en efecto impulsado por las diferencias de temperatura entre los trópicos y las latitudes más altas a nivel global, es en realidad principalmente a lo largo de las isobaras en las latitudes medias, no a través de ellas. Eso significa que el flujo no es de un lugar de mayor presión a un lugar de menor presión, sino principalmente alrededor de los máximos y mínimos 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 (las ~2 km más bajas), el flujo se desvía en una cierta dirección hacia la baja presión, porque la fuerza de fricción turbulenta también juega un papel importante. Pero no por encima de la capa límite.

Las ráfagas de viento son causadas por la turbulencia, movimiento caótico e impredecible del fluido que causa una fuerte mezcla y fricción. En un comentario preguntabas "¿Por qué la turbulencia está relacionada con la ráfaga, la ráfaga no es caótica, tiene la misma dirección que el viento, solo la velocidad aumenta?" La ráfaga es muy local, cuando se ve desde la distancia, puede ser una estructura turbulenta grande, pero una estructura turbulenta no obstante. Los vórtices turbulentos más grandes 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 en la velocidad del viento en varias partes de la región de flujo.

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

Por lo tanto, incluso cuando no hay efectos de temperatura/densidad (estratificación neutral), habrá turbulencia debido a la cizalladura del viento. Si hay viento, siempre hay cizalladura del viento, porque la velocidad del viento en la superficie es cero. Si el número de Reynolds es lo suficientemente alto, y en la atmósfera siempre lo es, habrá turbulencia causada por diferencias de la velocidad del flujo de un lugar a otro. Cuando también tomamos en cuenta el efecto estabilizador de una estratificación de temperatura estable, la inestabilidad es la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz (K-H) que causa turbulencia si la cizalladura del viento es lo suficientemente grande en comparación con la estratificación (la relación es el número de Richardson).

Mira esta demostración de laboratorio de la inestabilidad K-H. La misma inestabilidad crea toda la turbulencia ordinaria cuando cualquier objeto se mueve en el aire. La turbulencia a nuestro alrededor, alrededor de los coches, alrededor de los aviones.

La turbulencia también puede ser causada por la convección térmica incluso si no hay viento horizontal promedio en absoluto. La convección térmica se desarrolla cuando la estratificación térmica se vuelve inestable debido al flujo de calor positivo desde la superficie cálida. Desafortunadamente, en un fluido compresible (como el aire) la situación se complica por la compresibilidad y uno debe observar los perfiles de la temperatura potencial y no la temperatura. En una atmósfera bien mezclada, la temperatura potencial es constante, pero la temperatura disminuye un grado Celsius por cada 100 m de altura. El resultado de la convección son corrientes ascendentes y columnas de aire cálido en las que a las aves y a las planeadoras les gusta planear. Las ráfagas de viento pueden ser causadas por la turbulencia producida térmicamente.

Esto muestra mi simulación de convección térmica en la atmósfera con nubes superficiales. Sin viento promedio, solo turbulencia térmica. Temperatura potencial, humedad, agua líquida, velocidad vertical.

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

Además, el flujo a gran escala, mencionado al principio de la respuesta, a menudo crea frentes entre el aire más cálido y más frío. En estos frentes, se desarrollan patrones climáticos a mayor escala y especialmente los frentes fríos causan estratificación localmente inestable y por lo tanto convección y tormentas y, por ende, ráfagas de viento.