Desarrollo espacial de la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz 2D con un número de Reynolds bajo . Pequeñas perturbaciones impuestas en la entrada de la velocidad tangencial evolucionan en el cuadro computacional. Un número de Reynolds alto estaría marcado por un aumento de los movimientos a pequeña escala.
Visión general de la teoría y conceptos matemáticos
Una inestabilidad de KH visible a través de las nubes, conocida como fluctus , [2] sobre el Monte Duval en AustraliaUna inestabilidad de KH en el planeta Saturno, formada en la interacción de dos bandas de la atmósfera del planeta.El oleaje Kelvin-Helmholtz se eleva a 500 metros de profundidad en el océano AtlánticoAnimación de la inestabilidad de KH, utilizando un esquema de volumen finito 2D de segundo orden
La dinámica de fluidos predice la aparición de inestabilidad y la transición a un flujo turbulento en fluidos de diferentes densidades que se mueven a diferentes velocidades. [3] Si se ignora la tensión superficial, dos fluidos en movimiento paralelo con diferentes velocidades y densidades producen una interfaz que es inestable a perturbaciones de longitud de onda corta para todas las velocidades. Sin embargo, la tensión superficial puede estabilizar la inestabilidad de longitud de onda corta hasta una velocidad umbral.
Si la densidad y la velocidad varían continuamente en el espacio (con las capas más ligeras en la parte superior, de modo que el fluido es estable a RT ), la dinámica de la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz se describe mediante la ecuación de Taylor-Goldstein : donde denota la frecuencia de Brunt-Väisälä , U es la velocidad paralela horizontal, k es el número de onda, c es el parámetro de valor propio del problema, es la amplitud compleja de la función de corriente . Su inicio está dado por el número de Richardson . Normalmente, la capa es inestable para . Estos efectos son comunes en las capas de nubes. El estudio de esta inestabilidad es aplicable en la física del plasma, por ejemplo, en la fusión por confinamiento inercial y en la interfaz plasma - berilio . En situaciones en las que hay un estado de estabilidad estática, evidente por los fluidos más pesados que se encuentran debajo que el fluido inferior, la inestabilidad de Rayleigh-Taylor se puede ignorar ya que la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz es suficiente dadas las condiciones. [ aclaración necesaria ]
Numéricamente, la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz se simula en un enfoque temporal o espacial. En el enfoque temporal, el flujo se considera en una caja periódica (cíclica) que se "mueve" a velocidad media (inestabilidad absoluta). En el enfoque espacial, las simulaciones imitan un experimento de laboratorio con condiciones naturales de entrada y salida (inestabilidad convectiva).
Inestabilidad del KH en la atmósfera del Sol, fotografiada el 8 de abril de 2010. [1] [4]
Descubrimiento e historia
La existencia de la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz fue descubierta por primera vez por el fisiólogo y físico alemán Hermann von Helmholtz en 1868. Helmholtz identificó que "cada borde geométricamente perfecto y afilado por el que fluye un fluido debe desgarrarlo y establecer una superficie de separación". [5] [3] Después de ese trabajo, en 1871, su colaborador William Thomson (más tarde Lord Kelvin) desarrolló una solución matemática de la inestabilidad lineal mientras intentaba modelar la formación de las olas del viento oceánico. [6]
A lo largo de los primeros años del siglo XX, las ideas de inestabilidad de Kelvin-Helmholtz se aplicaron a una variedad de aplicaciones de fluidos estratificados. A principios de la década de 1920, Lewis Fry Richardson desarrolló el concepto de que dicha inestabilidad de cizallamiento solo se formaría cuando el cizallamiento superara la estabilidad estática debido a la estratificación, encapsulado en el número de Richardson .
Se realizaron observaciones geofísicas de la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz a fines de la década de 1960 y principios de la década de 1970, para las nubes [7] y, más tarde, para el océano. [8]
^ ab Fox, Karen C. (30 de diciembre de 2014). «El Observatorio de Dinámica Solar de la NASA capta olas «surfistas» en el Sol». NASA-La conexión Sol-Tierra: heliofísica . NASA. Archivado desde el original el 20 de noviembre de 2021. Consultado el 21 de julio de 2011 .
^ Sutherland, Scott (23 de marzo de 2017). "Cloud Atlas da un salto al siglo XXI con 12 nuevos tipos de nubes". The Weather Network . Pelmorex Media . Consultado el 24 de marzo de 2017 .
^ ab Drazin, PG (2003). Enciclopedia de ciencias atmosféricas . Elsevier Ltd. págs. 1068–1072. doi :10.1016/B978-0-12-382225-3.00190-0.
^ Ofman, L.; Thompson, BJ (1 de junio de 2011). "Observación SDO/AIA de la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz en la corona solar". The Astrophysical Journal . 734 : L11. arXiv : 1101.4249 . Código Bibliográfico :2011ApJ...734L..11O. doi :10.1088/2041-8205/734/1/L11. ISSN 0004-637X.
^ Helmholtz (1 de noviembre de 1868). "XLIII. Sobre los movimientos discontinuos de fluidos". The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science . 36 (244): 337–346. doi :10.1080/14786446808640073.
^ Matsuoka, Chihiro (31 de marzo de 2014). "Inestabilidad de Kelvin-Helmholtz y acumulación". Scholarpedia . 9 (3): 11821. doi : 10.4249/scholarpedia.11821 . ISSN 1941-6016.
^ Ludlam, FH (octubre de 1967). "Características de las nubes ondulantes y su relación con la turbulencia en aire despejado". Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society . 93 (398): 419–435. Bibcode :1967QJRMS..93..419L. doi :10.1002/qj.49709339803.
^ Woods, JD (18 de junio de 1968). "Inestabilidad de cizallamiento inducida por ondas en la termoclina de verano". Journal of Fluid Mechanics . 32 (4): 791–800. Bibcode :1968JFM....32..791W. doi :10.1017/S0022112068001035. S2CID 67827521.
Referencias
Lord Kelvin (William Thomson) (1871). «Soluciones hidrocinéticas y observaciones». Philosophical Magazine . 42 : 362–377.
Hermann von Helmholtz (1868). "Über discontinuierliche Flüssigkeits-Bewegungen [Sobre los movimientos discontinuos de fluidos]". Monatsberichte der Königlichen Preussische Akademie der Wissenschaften zu Berlin . 23 : 215–228.
Artículo que describe el descubrimiento de ondas KH en las profundidades del océano: Broad, William J. (19 de abril de 2010). "En las profundidades del mar, olas con un rizo familiar". New York Times . Consultado el 23 de abril de 2010 .
Enlaces externos
Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Ondas de Kelvin-Helmholtz .
Hwang, K.-J.; Goldstein; Kuznetsova; Wang; Viñas; Sibeck (2012). "La primera observación in situ de ondas de Kelvin-Helmholtz en magnetopausas de alta latitud durante condiciones de campo magnético interplanetario fuertemente orientadas hacia el amanecer". J. Geophys. Res . 117 (A08233): n/a. Bibcode :2012JGRA..117.8233H. doi :10.1029/2011JA017256. hdl : 2060/20140009615 .
Nubes gigantes con forma de tsunami recorren el cielo de Alabama - Natalie Wolchover, Livescience vía Yahoo.com
Nube de tsunami golpea la costa de Florida
Formación de vórtices en un chorro libre: vídeo de YouTube que muestra ondas de Kelvin Helmholtz en el borde de un chorro libre visualizadas en un experimento científico.
Nubes de olas sobre la ciudad de Christchurch
Nubes Kelvin-Helmholtz, en Barmouth, Gwynedd, el 18 de febrero de 2017
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