Los rollos convectivos horizontales , también conocidos como vórtices de rollo horizontal o calles de nubes , son rollos largos de aire contrarrotante que están orientados aproximadamente paralelos al suelo en la capa límite planetaria . Aunque los rollos convectivos horizontales, también conocidos como calles de nubes, se han visto claramente en fotografías satelitales durante los últimos 30 años, su desarrollo es poco comprendido, debido a la falta de datos de observación. Desde el suelo, aparecen como filas de cúmulos o nubes tipo cúmulo alineadas paralelas al viento de bajo nivel. La investigación ha demostrado que estos remolinos son importantes para el transporte vertical de momento, calor, humedad y contaminantes del aire dentro de la capa límite. [1] Las calles de nubes suelen ser más o menos rectas; rara vez, las calles de nubes adoptan patrones de cachemira cuando el viento que impulsa las nubes encuentra un obstáculo. Esas formaciones de nubes se conocen como calles de vórtices de von Kármán .
Los vórtices horizontales son vórtices que giran en sentido contrario y que están casi alineados con el viento medio de la capa límite planetaria (PBL). Pueden ser causados por convección en presencia de un viento moderado [2] y/o inestabilidades dinámicas del punto de inflexión en el perfil del viento medio. [3] Las primeras teorías [3] [4] [5] [6] [7] sobre las características predicen que los vórtices pueden estar alineados hasta 30° a la izquierda para entornos estratificados estables, 18° a la izquierda para entornos neutros y casi paralelos al viento medio para entornos estratificados inestables (convectivos). Esta teoría ha sido apoyada por observaciones aéreas de varios experimentos de campo. [5] [7] [8]
La profundidad de un vórtice suele ser la profundidad de la capa límite, que suele ser del orden de 1 a 2 km. Un par de vórtices suele tener una relación de dimensión lateral a vertical de alrededor de 3:1. [6] [7] [9] Estudios experimentales han demostrado que la relación de aspecto (una relación entre la longitud de onda del vórtice y la profundidad de la capa límite) varía entre 2:1 y 6:1; sin embargo, en algunas situaciones, la relación de aspecto puede ser tan grande como 10:1. La vida útil de un vórtice convectivo puede durar desde horas hasta días. [4] [10] [6] [7]
Si el aire ambiental está cerca de la saturación, puede producirse condensación en las corrientes ascendentes producidas por la rotación del vórtice. El movimiento descendente producido entre pares de giros alternos evaporará las nubes. Esto, combinado con las corrientes ascendentes, producirá filas de nubes. Los pilotos de planeadores a menudo utilizan las corrientes ascendentes producidas por las calles de nubes, lo que les permite volar en línea recta durante largas distancias, de ahí el nombre de "calles de nubes".
El proceso exacto que conduce a la formación de rollos horizontales es complicado. El mecanismo básico de tensión en la capa de capa de Ekman es el flujo turbulento de momento, y este término debe aproximarse en las ecuaciones de movimiento de la dinámica de fluidos para modelar el flujo y los flujos de la capa de Ekman. [6] [7] [11] [12] [13] [1]
La aproximación lineal, la ecuación de difusividad de remolinos con un coeficiente de difusión de remolinos K, permitió a Ekman obtener una solución espiral logarítmica simple. Sin embargo, la presencia frecuente de los vórtices de rollo horizontales en la PBL, que representan una organización de la turbulencia (estructuras coherentes), indican que la aproximación de difusividad no es adecuada. La solución de Ekman tiene un perfil de viento inflexivo intrínseco que se encontró que era inestable para ondas largas correspondientes a la escala de vórtices grandes organizados. [3] La teoría no lineal mostró que el crecimiento de estas ondas de perturbación finitas modifica el flujo medio, eliminando la energía de inestabilidad inflexiva dinámica de modo que se obtiene el equilibrio. El flujo medio modificado corresponde bien con las observaciones. [7] [1] Esta solución para la capa que contiene la longitud de onda de rollo a escala de PBL requiere una modificación de los transportes de flujo para acomodar el modelado del movimiento advectivo de los vórtices grandes. [11] [12] [1]
Las condiciones más favorables para la formación de los rollos se dan cuando la capa de aire más baja es inestable, pero está cubierta por una inversión, es decir, por una capa de aire estable. Debe haber un viento moderado. Esto ocurre a menudo cuando el aire superior está descendiendo, como en condiciones anticiclónicas, y también se da con frecuencia cuando se ha formado niebla de radiación durante la noche. La convección se produce por debajo de la inversión, con aire que asciende en corrientes térmicas por debajo de las nubes y desciende en el aire entre las calles.
La energía turbulenta derivada de las inestabilidades dinámicas se produce a partir de la energía de cizalladura del viento. Un viento más fuerte favorece el desarrollo de este balanceo, mientras que la energía convectiva lo modifica. La convección en presencia de baja velocidad produce balanceos, ya que se suprime el crecimiento de la inestabilidad en la cizalladura. La convección en entornos de viento muy bajo generalmente produce convección celular. [7] [1] [8]
Aunque esta solución se ha verificado con numerosas observaciones, es complicada, implica matemáticas de la teoría del caos y no se ha utilizado ampliamente. [3] [6] [7] [11] [12] Sin embargo, cuando se incorporó a los modelos de pronóstico del NCEP utilizando datos satelitales del viento en la superficie, mejoró significativamente los pronósticos. La solución no lineal, con una descripción explícita de los rollos de estructura coherente de perturbación finita, constituye una contribución significativa a la teoría del caos para la organización de la turbulencia.