En dinámica de fluidos , la baroclinidad (a menudo llamada baroclinicidad ) de un fluido estratificado es una medida de qué tan desalineado está el gradiente de presión con respecto al gradiente de densidad en un fluido. [1] [2] En meteorología, un flujo baroclínico es uno en el que la densidad depende tanto de la temperatura como de la presión (el caso completamente general). Un caso más simple, el flujo barotrópico , permite la dependencia de la densidad solo de la presión, de modo que el rizo de la fuerza del gradiente de presión se desvanece.
La baroclinidad es proporcional a:
que es proporcional al seno del ángulo entre superficies de presión constante y superficies de densidad constante . Por lo tanto, en un fluido barotrópico (que se define por una baroclinidad cero), estas superficies son paralelas. [3] [4] [5]
En la atmósfera de la Tierra, el flujo barotrópico es una mejor aproximación en los trópicos , donde las superficies de densidad y las superficies de presión están casi niveladas, mientras que en latitudes más altas el flujo es más baroclínico. [6] Estos cinturones de latitudes medias de alta baroclinidad atmosférica se caracterizan por la formación frecuente de ciclones de escala sinóptica , [7] aunque estos no dependen realmente del término de baroclinidad per se : por ejemplo, se estudian comúnmente en isosuperficies de coordenadas de presión donde ese término no tiene contribución a la producción de vorticidad .
La inestabilidad baroclínica es una inestabilidad fluidodinámica de importancia fundamental en la atmósfera y en los océanos . En la atmósfera, es el principal mecanismo que da forma a los ciclones y anticiclones que dominan el clima en latitudes medias. En el océano, genera un campo de remolinos de mesoescala (100 km o menos) que desempeñan diversas funciones en la dinámica oceánica y el transporte de trazadores .
En este contexto, si un fluido se considera que gira rápidamente se determina mediante el número de Rossby , que es una medida de lo cerca que está el flujo de la rotación de un cuerpo sólido. Más precisamente, un flujo en rotación de un cuerpo sólido tiene una vorticidad que es proporcional a su velocidad angular . El número de Rossby es una medida de la desviación de la vorticidad con respecto a la de la rotación de un cuerpo sólido. El número de Rossby debe ser pequeño para que el concepto de inestabilidad baroclínica sea relevante. Cuando el número de Rossby es grande, otros tipos de inestabilidades, a menudo denominadas inerciales, se vuelven más relevantes. [ cita requerida ]
El ejemplo más simple de un flujo estratificado estable es un flujo incompresible cuya densidad disminuye con la altura. [ cita requerida ]
En un gas compresible como la atmósfera, la medida relevante es el gradiente vertical de la entropía , que debe aumentar con la altura para que el flujo esté estratificado de manera estable. [ cita requerida ]
La fuerza de la estratificación se mide preguntando qué tan grande debe ser la fuerza cortante vertical de los vientos horizontales para desestabilizar el flujo y producir la inestabilidad clásica de Kelvin-Helmholtz . Esta medida se llama número de Richardson . Cuando el número de Richardson es grande, la estratificación es lo suficientemente fuerte como para evitar esta inestabilidad por fuerza cortante. [ cita requerida ]
Antes del trabajo clásico de Jule Charney y Eric Eady sobre la inestabilidad baroclínica a finales de los años 1940, [8] [9] la mayoría de las teorías que intentaban explicar la estructura de los remolinos de latitudes medias tomaban como punto de partida las inestabilidades de número de Rossby alto o de número de Richardson pequeño, familiares para los fluidinámicos de la época. La característica más importante de la inestabilidad baroclínica es que existe incluso en la situación de rotación rápida (número de Rossby pequeño) y fuerte estratificación estable (número de Richardson grande) que se observan típicamente en la atmósfera. [ cita requerida ]
La fuente de energía de la inestabilidad baroclínica es la energía potencial del flujo ambiental. A medida que aumenta la inestabilidad, el centro de masa del fluido desciende. En las ondas crecientes de la atmósfera, el aire frío que se mueve hacia abajo y hacia el ecuador desplaza al aire más cálido que se mueve hacia los polos y hacia arriba. [ cita requerida ]
La inestabilidad baroclínica se puede investigar en el laboratorio utilizando un anillo giratorio lleno de líquido . El anillo se calienta en la pared exterior y se enfría en la pared interior, y los flujos de líquido resultantes dan lugar a ondas baroclínicamente inestables. [10] [11]
El término "baroclínica" se refiere al mecanismo por el cual se genera la vorticidad . La vorticidad es la curvatura del campo de velocidad. En general, la evolución de la vorticidad se puede dividir en contribuciones provenientes de la advección (cuando los tubos de vórtice se mueven con el flujo), el estiramiento y la torsión (cuando los tubos de vórtice son tirados o retorcidos por el flujo) y la generación de vorticidad baroclínica, que ocurre siempre que hay un gradiente de densidad a lo largo de superficies de presión constante. Los flujos baroclínicos se pueden contrastar con los flujos barotrópicos en los que las superficies de densidad y presión coinciden y no hay generación baroclínica de vorticidad. [ cita requerida ]
El estudio de la evolución de estas inestabilidades baroclínicas a medida que crecen y luego decaen es una parte crucial del desarrollo de teorías sobre las características fundamentales del clima en latitudes medias. [ cita requerida ]
Partiendo de la ecuación de movimiento para un fluido sin fricción (las ecuaciones de Euler ) y tomando el rizo, se llega a la ecuación de movimiento para el rizo de la velocidad del fluido , es decir, la vorticidad . [ cita requerida ]
En un fluido que no tiene toda la misma densidad, aparece un término fuente en la ecuación de vorticidad siempre que las superficies de densidad constante ( superficies isopícnicas ) y las superficies de presión constante (superficies isobáricas) no estén alineadas. La derivada material de la vorticidad local está dada por: [ cita requerida ]
(donde es la velocidad y es la vorticidad , [12] es la presión y es la densidad). La contribución baroclínica es el vector: [13]
Este vector, a veces llamado vector solenoidal, [14] es de interés tanto en fluidos compresibles como en fluidos incompresibles (pero no homogéneos). Las ondas de gravedad internas , así como los modos inestables de Rayleigh-Taylor, pueden analizarse desde la perspectiva del vector baroclínico. También es de interés en la creación de vorticidad por el paso de choques a través de medios no homogéneos, [15] [16] como en la inestabilidad de Richtmyer-Meshkov . [17] [ cita requerida ]
Los buceadores experimentados están familiarizados con las ondas muy lentas que pueden generarse en una termoclina o una haloclina , que se conocen como ondas internas . Se pueden generar ondas similares entre una capa de agua y una capa de petróleo. Cuando la interfaz entre estas dos superficies no es horizontal y el sistema está cerca del equilibrio hidrostático, el gradiente de la presión es vertical pero el gradiente de la densidad no lo es. Por lo tanto, el vector baroclínico es distinto de cero, y el sentido del vector baroclínico es crear vorticidad para hacer que la interfaz se nivele. En el proceso, la interfaz se sobrepasa y el resultado es una oscilación que es una onda de gravedad interna. A diferencia de las ondas de gravedad superficiales, las ondas de gravedad internas no requieren una interfaz aguda. Por ejemplo, en cuerpos de agua, un gradiente gradual en temperatura o salinidad es suficiente para soportar ondas de gravedad internas impulsadas por el vector baroclínico. [ cita requerida ]
