En meteorología , la capa límite planetaria ( PBL ), también conocida como capa límite atmosférica ( ABL ) o peplosfera , es la parte más baja de la atmósfera y su comportamiento está directamente influenciado por su contacto con una superficie planetaria . [1] En la Tierra normalmente responde a los cambios en el forzamiento radiativo de la superficie en una hora o menos. En esta capa, las cantidades físicas como la velocidad del flujo , la temperatura y la humedad muestran fluctuaciones rápidas ( turbulencia ) y la mezcla vertical es fuerte. Por encima de la PBL está la "atmósfera libre", [2] donde el viento es aproximadamente geostrófico (paralelo a las isobaras), [3] mientras que dentro de la PBL el viento se ve afectado por el arrastre de la superficie y gira a través de las isobaras (ver capa de Ekman para mas detalle).
Normalmente, debido a la resistencia aerodinámica , hay un gradiente de viento en el flujo de viento ~100 metros sobre la superficie de la Tierra, la capa superficial de la capa límite planetaria. La velocidad del viento aumenta al aumentar la altura sobre el suelo, comenzando desde cero [4] debido a la condición de antideslizante . [5] El flujo cerca de la superficie encuentra obstáculos que reducen la velocidad del viento e introducen componentes aleatorios de velocidad vertical y horizontal en ángulo recto con la dirección principal del flujo. [6] Esta turbulencia provoca una mezcla vertical entre el aire que se mueve horizontalmente en un nivel y el aire en los niveles inmediatamente superiores e inferiores, lo cual es importante en la dispersión de contaminantes [7] y en la erosión del suelo . [8]
La reducción de la velocidad cerca de la superficie es función de la rugosidad de la superficie, por lo que los perfiles de velocidad del viento son bastante diferentes para diferentes tipos de terreno. [5] El terreno accidentado, irregular y las obstrucciones artificiales en el suelo pueden reducir la velocidad del viento geostrófico entre un 40% y un 50%. [9] [10] Sobre aguas abiertas o hielo, la reducción puede ser sólo del 20% al 30%. [11] [12] Estos efectos se tienen en cuenta al ubicar las turbinas eólicas . [13] [14]
Para fines de ingeniería , el gradiente del viento se modela como una cizalladura simple que exhibe un perfil de velocidad vertical que varía según una ley de potencia con un coeficiente exponencial constante basado en el tipo de superficie. La altura sobre el suelo donde la fricción de la superficie tiene un efecto insignificante sobre la velocidad del viento se denomina "altura del gradiente" y se supone que la velocidad del viento por encima de esta altura es una constante llamada "velocidad del viento en gradiente". [10] [15] [16] Por ejemplo, los valores típicos para la altura del gradiente previsto son 457 m para grandes ciudades, 366 m para suburbios, 274 m para terreno abierto y 213 m para mar abierto. [17]
Aunque la aproximación del exponente de la ley potencial es conveniente, no tiene base teórica. [18] Cuando el perfil de temperatura es adiabático, la velocidad del viento debe variar logarítmicamente con la altura. [19] Las mediciones sobre terreno abierto en 1961 mostraron una buena concordancia con el ajuste logarítmico hasta aproximadamente 100 m (dentro de la capa superficial ), con una velocidad promedio del viento casi constante hasta los 1000 m. [20]
La cizalladura del viento suele ser tridimensional, [21] es decir, también hay un cambio de dirección entre el viento geostrófico impulsado por el gradiente de presión "libre" y el viento cercano al suelo. [22] Esto está relacionado con el efecto espiral de Ekman . El ángulo isóbaro transversal del flujo ageostrófico desviado cerca de la superficie varía de 10° sobre aguas abiertas a 30° sobre terreno montañoso accidentado, y puede aumentar a 40°-50° sobre tierra durante la noche, cuando la velocidad del viento es muy baja. [12]
Después de la puesta del sol, la pendiente del viento cerca de la superficie aumenta, con la mayor estabilidad. [23] La estabilidad atmosférica que se produce durante la noche con enfriamiento radiativo tiende a restringir verticalmente los remolinos turbulentos , aumentando así el gradiente del viento. [8] La magnitud del gradiente del viento está influenciada en gran medida por el clima , principalmente la estabilidad atmosférica y la altura de cualquier capa límite convectiva o inversión de cobertura . Este efecto es aún mayor sobre el mar, donde hay mucha menos variación diurna de la altura de la capa límite que sobre la tierra. [24] En la capa límite convectiva, una fuerte mezcla disminuye el gradiente vertical del viento. [25]
La capa límite planetaria es diferente entre el día y la noche. Durante el día, las capas de inversión formadas durante la noche se rompen como consecuencia del ascenso turbulento del aire caliente. [26] La capa límite se estabiliza "poco antes del atardecer" y permanece así durante la noche. [26] Todo esto constituye un ciclo diario. [26] Durante el invierno y los días nublados la ruptura de las capas nocturnas es incompleta y las condiciones atmosféricas establecidas en los días anteriores pueden persistir. [26] [27] La ruptura de la estructura de la capa límite nocturna es rápida en los días soleados. [27] La fuerza impulsora son las células convectivas con áreas estrechas de corriente ascendente y grandes áreas de suave corriente descendente. [27] Estas células superan los 200-500 m de diámetro. [27]
Como sugieren las ecuaciones de Navier-Stokes , la turbulencia de la capa límite planetaria se produce en la capa con los mayores gradientes de velocidad que se encuentra en la proximidad de la superficie. Esta capa, convencionalmente denominada capa superficial , constituye aproximadamente el 10% de la profundidad total del PBL. Por encima de la capa superficial, la turbulencia del PBL se disipa gradualmente, perdiendo su energía cinética por fricción y convirtiendo la energía cinética en energía potencial en un flujo estratificado de densidad. El equilibrio entre la tasa de producción de energía cinética turbulenta y su disipación determina la profundidad de la capa límite planetaria. La profundidad del PBL varía ampliamente. A una velocidad del viento dada, por ejemplo 8 m/s, y por lo tanto a una tasa determinada de producción de turbulencia, un PBL en el Ártico invernal podría tener una profundidad de hasta 50 m, un PBL nocturno en latitudes medias podría tener típicamente 300 m de espesor. , y un PBL tropical en la zona de los vientos alisios podría crecer hasta su profundidad teórica total de 2000 m. La profundidad del PBL puede ser de 4000 mo más al final de la tarde sobre el desierto.
Además de la capa superficial, la capa límite planetaria también comprende el núcleo de PBL (entre 0,1 y 0,7 de la profundidad de PBL) y la capa superior o de arrastre de PBL o capa de inversión de cobertura (entre 0,7 y 1 de la profundidad de PBL). Cuatro factores externos principales determinan la profundidad del PBL y su estructura vertical media:
Una capa límite planetaria convectiva es un tipo de capa límite planetaria donde el flujo de flotabilidad positiva en la superficie crea una inestabilidad térmica y, por lo tanto, genera turbulencias adicionales o incluso importantes. (Esto también se conoce como tener CAPE o energía potencial convectiva disponible ; ver convección atmosférica ). Una capa límite convectiva es típica en latitudes tropicales y medias durante el día. El calentamiento solar asistido por el calor liberado por la condensación del vapor de agua podría crear turbulencias convectivas tan fuertes que la capa convectiva libre comprende toda la troposfera hasta la tropopausa (el límite en la atmósfera terrestre entre la troposfera y la estratosfera ), que se encuentra a 10 km a 18 km en la zona de convergencia intertropical ).
El SBL es un PBL cuando el flujo de flotabilidad negativo en la superficie amortigua la turbulencia; ver inhibición convectiva . Una SBL es impulsada únicamente por la turbulencia cizallante del viento y, por lo tanto, la SBL no puede existir sin el viento de la atmósfera libre. Una SBL es típica durante la noche en todos los lugares e incluso durante el día en lugares donde la superficie de la Tierra es más fría que el aire de arriba. Una SBL juega un papel particularmente importante en latitudes altas, donde a menudo se prolonga (días a meses), lo que resulta en temperaturas del aire muy frías.
Las leyes físicas y las ecuaciones de movimiento, que gobiernan la dinámica y la microfísica de la capa límite planetaria, son fuertemente no lineales y están considerablemente influenciadas por las propiedades de la superficie de la Tierra y la evolución de los procesos en la atmósfera libre. Para hacer frente a esta complejidad, se ha propuesto toda la gama de modelos de turbulencia . Sin embargo, a menudo no son lo suficientemente precisos para cumplir con los requisitos prácticos. Se esperan mejoras significativas a partir de la aplicación de una técnica de simulación de grandes remolinos a problemas relacionados con el PBL.
Quizás los procesos más importantes, [ se necesita aclaración ] que dependen de manera crítica de la representación correcta del PBL en los modelos atmosféricos ( Proyecto de intercomparación de modelos atmosféricos ), son el transporte turbulento de humedad ( evapotranspiración ) y contaminantes ( contaminantes del aire ). Las nubes en la capa límite influyen en los vientos alisios , el ciclo hidrológico y el intercambio de energía.
La relación entre la velocidad del viento y la altura se llama perfil del viento o gradiente del viento.
El flujo cerca de la superficie encuentra pequeños obstáculos que cambian la velocidad del viento e introducen componentes aleatorios de velocidad vertical y horizontal en ángulo recto con la dirección principal del flujo.
Por lo tanto, el gradiente vertical de la velocidad media del viento (dū/dz) es mayor en terreno liso y menor en superficies rugosas.
...tanto el gradiente del viento como el perfil medio del viento en sí generalmente pueden describirse de manera diagnóstica mediante el perfil logarítmico del viento.
En la mayor parte de la capa límite convectiva, una fuerte mezcla disminuye el gradiente vertical del viento...
