La estratificación estable de fluidos ocurre 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 preservar la estratificación estable; las capas superiores flotan sobre las inferiores. En cambio, en la estratificación inestable, las fuerzas de flotación provocan convección . Las capas menos densas se elevan a través de las capas más densas de arriba, y las capas más densas se hunden a través de las capas menos densas de abajo. Las estratificaciones pueden volverse más o menos estables si las capas cambian de densidad. Los procesos involucrados son importantes en muchos campos de la ciencia y la ingeniería.
Las estratificaciones estables pueden volverse inestables si las capas cambian de densidad. Esto puede suceder 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 en capas se calienta desde abajo, haciendo que la capa inferior sea menos densa). Sin embargo, también puede ocurrir debido a la difusión interna de calor (la capa más cálida calienta lentamente la capa más fría adyacente) u otras propiedades físicas. Esto a menudo provoca que se mezclen en la interfaz, creando nuevas capas difusoras (ver foto del café y la leche).
A veces, dos propiedades físicas se difunden entre capas simultáneamente; sal y temperatura, por ejemplo. Esto puede formar capas difusivas o incluso digitación de sal , cuando las superficies de las capas difusivas se vuelven tan onduladas que hay "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 de manera estable. El rocío de mar y los casquetes blancos ( aguas blancas espumosas sobre las olas) son ejemplos de agua mezclada con aire y aire con agua, respectivamente. En una tormenta feroz, la frontera aire/agua puede volverse confusa. Algunas de estas ondas de viento son ondas de Kelvin-Helmholtz . [1]
Dependiendo del tamaño de la diferencia de velocidad y del contraste de densidad entre las capas, las ondas de Kelvin-Helmholtz pueden verse diferentes. Por ejemplo, entre dos capas de aire o dos capas de agua, la diferencia de densidad es mucho menor y las capas son miscibles; ver vídeo del modelo en blanco y negro.
La estratificación se ve comúnmente en las ciencias planetarias.
La energía solar pasa como radiación visible a través del aire y es absorbida por el suelo para ser reemitida como radiación de calor. Por lo tanto, la atmósfera inferior se calienta desde abajo (la absorción de rayos UV en la capa de ozono calienta esa capa desde dentro). Por tanto, el aire exterior suele estar estratificado de forma inestable y convectivo, lo que nos proporciona viento. Las inversiones de temperatura son un fenómeno meteorológico que ocurre cada vez que un área de la atmósfera inferior se estratifica de manera estable y, por lo tanto, deja de moverse. [2] [3]
Los océanos, por el contrario, se calientan desde arriba y suelen estar estratificados de forma estable. Sólo cerca de los polos se hunde el agua más fría y salada. Las aguas profundas del océano se calientan y refrescan lentamente mediante una mezcla interna (una forma de doble difusión [4] ) y luego regresan a la superficie.
Ejemplos:
En aplicaciones de ingeniería, la estratificación o convección estable puede ser deseable o no. En cualquier caso, puede ser manipulado deliberadamente. La estratificación puede afectar fuertemente la mezcla de fluidos, [5] lo cual es importante en muchos procesos de fabricación.