E5 Turbulencia y Capa Límite Atmosférica

Tópico

La capa límite atmosférica es la capa más baja de la troposfera, la que está directamente influenciada por la superficie terrestre, con un espesor que varía entre cien y dos mil metros según la hora del día. Durante el día, el calentamiento que recibe la superficie genera convección térmica, y esa convección térmica mezcla enérgicamente toda la capa límite atmosférica de arriba abajo; durante la noche, en cambio, el enfriamiento radiativo de la superficie crea una capa nocturna estable en la que la turbulencia queda suprimida. Así, la capa límite atmosférica alterna cada día entre un estado turbulento y mezclado durante las horas de sol y un estado estable y calmo durante las horas de oscuridad, y esa alternancia diaria vuelve a repetirse con cada nuevo ciclo de calentamiento y enfriamiento de la superficie.

La turbulencia que domina la capa límite atmosférica durante el día no se limita a mezclar el aire: también transporta momento, calor sensible y calor latente desde la superficie hacia el interior de la atmósfera, llevando hacia arriba la cantidad de movimiento, el calor y la humedad que la superficie le entrega a la capa límite atmosférica.

Para describir esta turbulencia en el tramo más bajo de la capa límite atmosférica, los diez a cincuenta metros más cercanos al suelo, la teoría de semejanza de Monin-Obukhov es el marco teórico estándar. Esta teoría define la longitud de Obukhov, una escala de altura a la que la producción de turbulencia por efecto mecánico del viento y la producción de turbulencia por efecto térmico del calentamiento o enfriamiento de la superficie llegan a ser comparables entre sí. Comparar la altura a la que se está midiendo con esta longitud de Obukhov permite clasificar el estado de la capa: cuando esa comparación da un resultado negativo, la capa está en un estado inestable, dominado por la convección térmica; cuando da un resultado positivo, la capa está en un estado estable, con la turbulencia suprimida como ocurre durante la noche.

Con esa misma comparación entre la altura y la longitud de Obukhov, los perfiles de viento y de temperatura dentro de esta capa superficial siguen funciones de similitud que dependen de esa comparación, y esas funciones de similitud son las que modifican el perfil logarítmico que tendrían el viento y la temperatura si la capa estuviera en un estado neutro, ni inestable ni estable.

En los modelos numéricos, la turbulencia que ocurre a una escala más pequeña que la que el propio modelo puede resolver todavía tiene que representarse de alguna manera, y para eso existen las parametrizaciones de la turbulencia no resuelta. Los esquemas más simples, de primer orden, describen el flujo turbulento como proporcional al gradiente de la cantidad que se transporta, multiplicado por una difusividad turbulenta que resume, en un solo número, todo el efecto de la turbulencia no resuelta. Los esquemas de orden superior, en cambio, resuelven explícitamente una ecuación que predice cómo evoluciona la propia energía cinética turbulenta, y usan esa energía cinética turbulenta para calcular el flujo turbulento con más detalle del que permite un simple esquema de primer orden.

Dos cantidades resumen, más que ninguna otra, el estado de toda la capa límite atmosférica en un momento dado: la velocidad de fricción, que mide qué tan fuerte agita el viento a la superficie, y el flujo turbulento de calor que sale de la superficie, que mide cuánto calor le entrega la superficie a la capa límite atmosférica en ese instante. Estas dos cantidades son los parámetros fundamentales que controlan la estructura de la capa límite atmosférica: alimentan tanto la teoría de semejanza de Monin-Obukhov como las parametrizaciones de la turbulencia no resuelta, y son, en el fondo, la versión resumida y medible de todo el calentamiento diurno, el enfriamiento nocturno y la turbulencia que se describieron desde el comienzo.

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