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Modelo Conceptual
Descripción
Modelo E1 - Núcleo Dinámico
El modelo conceptual busca comprender los mecanismos que dan origen a un comportamiento, y describirlos de la forma más simple posible. Para eso, el comportamiento se segmenta en temas (grupos): cada uno identifica los objetos o variables que participan —tanto en su funcionamiento normal como en sus posibles anomalías o desviaciones— y describe, mediante verbos, la forma en que esos objetos interactúan entre sí. El resultado es lo que llamamos una red semántica: la estructura con la que representamos y comunicamos el modelo conceptual, antes de introducir ecuación alguna.
ID:4963
Estructura de los Grupos
Descripción
El primer paso consiste en analizar la descripción general del modelo e identificar los distintos aspectos que intervienen en el fenómeno y que deben ser representados. Cada uno de estos aspectos se organiza como un grupo, entendido como una unidad conceptual coherente que describe una parte específica del funcionamiento del modelo.
Cada grupo reúne los objetos o conceptos relevantes para ese aspecto y las relaciones o verbos que describen cómo interactúan, se modifican o dependen unos de otros. De esta manera, cada grupo constituye una parte de la red semántica del modelo, mientras que el conjunto de los grupos permite representar de forma estructurada su funcionamiento global.
La división en grupos facilita además separar mecanismos, condiciones, procesos y resultados que cumplen funciones diferentes dentro del modelo, manteniendo al mismo tiempo las relaciones que existen entre ellos. Los grupos no son, por tanto, componentes aislados: pueden compartir conceptos y establecer relaciones entre sí, formando conjuntamente una única representación semántica del fenómeno.
La imagen anterior ofrece una visión general de los distintos aspectos en que se ha estructurado el modelo. A continuación se presentan los grupos identificados, indicando para cada uno su título y una breve descripción del aspecto del modelo que representa.
Grupo 1: Grupo 1: Ecuaciones primitivas y aproximaciones atmosféricas
Cómo las ecuaciones generales de Navier–Stokes se especializan al fluido atmosférico mediante aproximación hidrostática y simplificación de la curvatura terrestre, produciendo las ecuaciones primitivas en coordenadas de presión.
Grupo 2: Grupo 2: Evolución de las variables atmosféricas
Cómo el núcleo dinámico usa las ecuaciones primitivas para hacer evolucionar en el tiempo viento horizontal, temperatura y humedad, representados sobre niveles definidos por presión.
Grupo 3: Grupo 3: Rotación terrestre y fuerza de Coriolis
Cómo la rotación terrestre y la velocidad del viento determinan la fuerza de Coriolis, cuya deflexión hemisférica desvía el flujo y favorece la circulación alrededor de centros de presión.
Grupo 4: Grupo 4: Balance geostrófico
Cómo el gradiente horizontal de presión y Coriolis pueden equilibrarse, generando viento paralelo a las líneas de presión constante y una aproximación válida a gran escala.
Grupo 5: Grupo 5: Vorticidad potencial de Ertel
Cómo la vorticidad potencial de Ertel se conserva bajo movimiento adiabático y sin fricción y funciona como variable fundamental para diagnosticar y predecir el flujo de gran escala.
Grupo 6: Grupo 6: Continuidad horizontal y movimiento vertical
Cómo convergencia y divergencia del viento horizontal fuerzan ascenso o subsidencia y se expresan como movimiento vertical omega en coordenadas de presión.
Grupo 7: Grupo 7: Ecuación omega cuasi-geostrófica y sistemas de tiempo
Cómo la advección geostrófica de vorticidad y temperatura determina omega y permite diagnosticar ascenso, subsidencia y sistemas sinópticos dentro de una descripción coherente del flujo rotante.
ID:1806
Grupo 1: Grupo 1: Ecuaciones primitivas y aproximaciones atmosféricas
Descripción
Cómo las ecuaciones generales de Navier–Stokes se especializan al fluido atmosférico mediante aproximación hidrostática y simplificación de la curvatura terrestre, produciendo las ecuaciones primitivas en coordenadas de presión.
Pregunta clave: ¿cómo se obtienen las ecuaciones primitivas atmosféricas desde las ecuaciones generales del fluido?
Cómo las ecuaciones generales de Navier–Stokes se especializan al fluido atmosférico mediante aproximación hidrostática y simplificación de la curvatura terrestre, produciendo las ecuaciones primitivas en coordenadas de presión. Esas ecuaciones, llamadas ecuaciones primitivas, se derivan de las ecuaciones generales de Navier-Stokes que describen cualquier fluido, pero simplificadas con dos aproximaciones propias de la atmósfera: la aproximación hidrostática, según la cual la presión en cualquier punto es igual al peso del aire que se apila encima de él, y una aproximación que simplifica cómo se representa la curvatura de la Tierra a las escalas horizontales tan grandes con las que trabaja el núcleo dinámico de la atmósfera. Con esas dos simplificaciones, las ecuaciones primitivas describen cómo evolucionan en el tiempo el viento horizontal, la temperatura y la humedad, expresados en coordenadas que usan la presión en vez de la altura para ubicar cada nivel de la atmósfera. Dentro de estas ecuaciones primitivas, la fuerza de Coriolis es la que distingue a la atmósfera de cualquier otro fluido: es una fuerza que depende tanto de la velocidad del viento como de la velocidad de rotación de la Tierra, y que deflecta cualquier movimiento hacia la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda en el hemisferio sur.
ID:3941
Grupo 2: Grupo 2: Evolución de las variables atmosféricas
Descripción
Cómo el núcleo dinámico usa las ecuaciones primitivas para hacer evolucionar en el tiempo viento horizontal, temperatura y humedad, representados sobre niveles definidos por presión.
Pregunta clave: ¿qué variables hace evolucionar el núcleo dinámico y en qué coordenadas verticales?
Cómo el núcleo dinámico usa las ecuaciones primitivas para hacer evolucionar en el tiempo viento horizontal, temperatura y humedad, representados sobre niveles definidos por presión. Con esas dos simplificaciones, las ecuaciones primitivas describen cómo evolucionan en el tiempo el viento horizontal, la temperatura y la humedad, expresados en coordenadas que usan la presión en vez de la altura para ubicar cada nivel de la atmósfera. La divergencia del viento horizontal es, entonces, la que produce el movimiento vertical, al que en estas coordenadas de presión se le llama omega. La vorticidad potencial de Ertel describe sobre todo el movimiento horizontal de la atmósfera, pero ese mismo movimiento horizontal también determina el movimiento vertical: cuando el viento horizontal converge hacia un mismo punto en la superficie, el aire que se acumula ahí no tiene a dónde ir más que hacia arriba, y ese punto experimenta ascenso; cuando el viento horizontal diverge, alejándose de un mismo punto, el aire que falta se repone desde arriba, y ese punto experimenta subsidencia.
ID:3942
Grupo 3: Grupo 3: Rotación terrestre y fuerza de Coriolis
Descripción
Cómo la rotación terrestre y la velocidad del viento determinan la fuerza de Coriolis, cuya deflexión hemisférica desvía el flujo y favorece la circulación alrededor de centros de presión.
Pregunta clave: ¿cómo convierte la rotación terrestre un flujo presión-arriba/presión-abajo en circulación alrededor de centros?
Cómo la rotación terrestre y la velocidad del viento determinan la fuerza de Coriolis, cuya deflexión hemisférica desvía el flujo y favorece la circulación alrededor de centros de presión. Esa deflexión sistemática es la que hace que el aire, en vez de fluir en línea recta desde las zonas de alta presión hacia las de baja presión, termine girando a su alrededor, y es así como la fuerza de Coriolis se vuelve responsable de la formación de los ciclones y los anticiclones. Dentro de estas ecuaciones primitivas, la fuerza de Coriolis es la que distingue a la atmósfera de cualquier otro fluido: es una fuerza que depende tanto de la velocidad del viento como de la velocidad de rotación de la Tierra, y que deflecta cualquier movimiento hacia la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda en el hemisferio sur. Esta ecuación de omega es, precisamente, la base con la que se diagnostican los sistemas de tiempo: los mismos ciclones y anticiclones que la fuerza de Coriolis ayuda a formar terminan explicándose, en último término, por cómo el núcleo dinámico de la atmósfera combina la fuerza de Coriolis, el viento geostrófico, la vorticidad potencial de Ertel y el movimiento vertical en una sola descripción coherente del fluido atmosférico en rotación.
ID:3943
Grupo 4: Grupo 4: Balance geostrófico
Descripción
Cómo el gradiente horizontal de presión y Coriolis pueden equilibrarse, generando viento paralelo a las líneas de presión constante y una aproximación válida a gran escala.
Pregunta clave: ¿cómo surge el viento geostrófico y cuándo aproxima bien al viento real?
Cómo el gradiente horizontal de presión y Coriolis pueden equilibrarse, generando viento paralelo a las líneas de presión constante y una aproximación válida a gran escala. Cuando el gradiente de presión que empuja el aire desde la alta hacia la baja presión se equilibra exactamente con la fuerza de Coriolis que lo desvía, el resultado es el viento geostrófico, un viento que ya no fluye hacia la baja presión sino paralelo a las líneas de presión constante. Este equilibrio entre el gradiente de presión y la fuerza de Coriolis es una buena aproximación del viento real en las escalas de miles de kilómetros que maneja el núcleo dinámico de la atmósfera, aunque deja de serlo a escalas mucho más pequeñas. Esta ecuación de omega es, precisamente, la base con la que se diagnostican los sistemas de tiempo: los mismos ciclones y anticiclones que la fuerza de Coriolis ayuda a formar terminan explicándose, en último término, por cómo el núcleo dinámico de la atmósfera combina la fuerza de Coriolis, el viento geostrófico, la vorticidad potencial de Ertel y el movimiento vertical en una sola descripción coherente del fluido atmosférico en rotación.
ID:3944
Grupo 5: Grupo 5: Vorticidad potencial de Ertel
Descripción
Cómo la vorticidad potencial de Ertel se conserva bajo movimiento adiabático y sin fricción y funciona como variable fundamental para diagnosticar y predecir el flujo de gran escala.
Pregunta clave: ¿qué cantidad se conserva bajo movimiento adiabático y sin fricción y por qué es útil?
Precisamente porque se conserva en esas condiciones, la vorticidad potencial de Ertel es la variable dinámica más fundamental para diagnosticar y predecir el flujo atmosférico a gran escala: basta con seguir cómo se mueve esta cantidad conservada para reconstruir buena parte de cómo se mueve el resto de la atmósfera a su alrededor. Esta ecuación de omega es, precisamente, la base con la que se diagnostican los sistemas de tiempo: los mismos ciclones y anticiclones que la fuerza de Coriolis ayuda a formar terminan explicándose, en último término, por cómo el núcleo dinámico de la atmósfera combina la fuerza de Coriolis, el viento geostrófico, la vorticidad potencial de Ertel y el movimiento vertical en una sola descripción coherente del fluido atmosférico en rotación. Hay, sin embargo, una cantidad que se conserva incluso mejor que el propio viento geostrófico: la vorticidad potencial de Ertel, que permanece constante mientras el aire se mueve sin intercambiar calor con su entorno y sin fricción que lo frene. La vorticidad potencial de Ertel describe sobre todo el movimiento horizontal de la atmósfera, pero ese mismo movimiento horizontal también determina el movimiento vertical: cuando el viento horizontal converge hacia un mismo punto en la superficie, el aire que se acumula ahí no tiene a dónde ir más que hacia arriba, y ese punto experimenta ascenso; cuando el viento horizontal diverge, alejándose de un mismo punto, el aire que falta se repone desde arriba, y ese punto experimenta subsidencia.
ID:3945
Grupo 6: Grupo 6: Continuidad horizontal y movimiento vertical
Descripción
Cómo convergencia y divergencia del viento horizontal fuerzan ascenso o subsidencia y se expresan como movimiento vertical omega en coordenadas de presión.
Pregunta clave: ¿cómo el movimiento horizontal genera ascenso y subsidencia?
Cómo convergencia y divergencia del viento horizontal fuerzan ascenso o subsidencia y se expresan como movimiento vertical omega en coordenadas de presión. La divergencia del viento horizontal es, entonces, la que produce el movimiento vertical, al que en estas coordenadas de presión se le llama omega. La ecuación que relaciona ese movimiento vertical, omega, con el resto del flujo geostrófico es la ecuación de omega del modelo cuasi-geostrófico: según esta ecuación, el movimiento vertical depende de cómo el viento geostrófico transporta la vorticidad de un lugar a otro y de cómo transporta también la temperatura, de modo que allí donde ese transporte de vorticidad y ese transporte de temperatura se combinan de cierta manera, la atmósfera responde generando el ascenso o la subsidencia necesarios para mantener el equilibrio geostrófico. La vorticidad potencial de Ertel describe sobre todo el movimiento horizontal de la atmósfera, pero ese mismo movimiento horizontal también determina el movimiento vertical: cuando el viento horizontal converge hacia un mismo punto en la superficie, el aire que se acumula ahí no tiene a dónde ir más que hacia arriba, y ese punto experimenta ascenso; cuando el viento horizontal diverge, alejándose de un mismo punto, el aire que falta se repone desde arriba, y ese punto experimenta subsidencia.
ID:3946
Grupo 7: Grupo 7: Ecuación omega cuasi-geostrófica y sistemas de tiempo
Descripción
Cómo la advección geostrófica de vorticidad y temperatura determina omega y permite diagnosticar ascenso, subsidencia y sistemas sinópticos dentro de una descripción coherente del flujo rotante.
Pregunta clave: ¿cómo los transportes geostróficos de vorticidad y temperatura diagnostican el movimiento vertical y los sistemas de tiempo?
Cómo la advección geostrófica de vorticidad y temperatura determina omega y permite diagnosticar ascenso, subsidencia y sistemas sinópticos dentro de una descripción coherente del flujo rotante. Esta ecuación de omega es, precisamente, la base con la que se diagnostican los sistemas de tiempo: los mismos ciclones y anticiclones que la fuerza de Coriolis ayuda a formar terminan explicándose, en último término, por cómo el núcleo dinámico de la atmósfera combina la fuerza de Coriolis, el viento geostrófico, la vorticidad potencial de Ertel y el movimiento vertical en una sola descripción coherente del fluido atmosférico en rotación. La ecuación que relaciona ese movimiento vertical, omega, con el resto del flujo geostrófico es la ecuación de omega del modelo cuasi-geostrófico: según esta ecuación, el movimiento vertical depende de cómo el viento geostrófico transporta la vorticidad de un lugar a otro y de cómo transporta también la temperatura, de modo que allí donde ese transporte de vorticidad y ese transporte de temperatura se combinan de cierta manera, la atmósfera responde generando el ascenso o la subsidencia necesarios para mantener el equilibrio geostrófico. Hay, sin embargo, una cantidad que se conserva incluso mejor que el propio viento geostrófico: la vorticidad potencial de Ertel, que permanece constante mientras el aire se mueve sin intercambiar calor con su entorno y sin fricción que lo frene.
ID:3947