Clasificación del movimiento en la hidrodinámica de la Tierra
El movimiento de los fluidos terrestres se puede dividir en los siguientes tipos según escala espacial o propiedades: ondas gravitatorias-inerciales, ondas planetarias, corrientes de Ekman, circulación atmosférica y oceánica, vórtices, ondas gravitacionales y convección, etc. Los últimos tres son exclusivos de la mecánica de fluidos general y no se explicarán aquí por separado.
① Onda de gravedad-inercia. Una forma básica de movimiento de los fluidos terrestres, formada por la acción simultánea de la gravedad y la fuerza de Coriolis. La velocidad de fase (ver onda) es mucho mayor que la velocidad del flujo. Si la longitud de onda es más corta, la influencia de la fuerza de Coriolis es mínima, lo que no difiere de las ondas de gravedad en el flujo estratificado normal. Si la longitud de onda es más larga, especialmente si es de la misma magnitud que la Tierra (u otros planetas), la influencia de la fuerza de Coriolis es obvia, y la velocidad de fase y la estructura de la onda son obviamente diferentes de las de las ondas de gravedad.
②Onda planetaria. La forma más obvia e importante del movimiento atmosférico de la Tierra, el movimiento de los océanos y otros movimientos a gran escala de las atmósferas planetarias es que el campo de flujo es curvo como una onda, y la longitud de onda suele ser del mismo orden que el radio del planeta (la longitud de onda es más corto en las corrientes oceánicas), de ahí el nombre. También llamadas ondas de Rossby-Alfvén u ondas de Rossby. Las ondas planetarias están estrechamente relacionadas con los sistemas meteorológicos a gran escala y son un componente importante de la circulación atmosférica o de la circulación oceánica. Por lo tanto, son los principales objetos de investigación de la dinámica atmosférica, la dinámica oceánica y la mecánica de fluidos terrestres. La velocidad de fase de las ondas planetarias es de la misma magnitud que la velocidad del flujo y la vorticidad es mucho mayor que la divergencia, por lo que también se la llama onda de vórtice. El mecanismo es que los parámetros de Coriolis son desiguales en la superficie del planeta, es decir, hay un gradiente en el componente normal del suelo de la vorticidad atmosférica del planeta, lo que hace que los microcúmulos de fluidos cambien su vorticidad relativa durante el movimiento, formando fluctuaciones. De hecho, si ω=0, la ecuación lineal correspondiente a la ecuación (1) no solo tiene una solución de onda de gravedad, sino también una solución de campo de vórtice estable. Si ω0, el campo del vórtice es inestable y se convierte en una onda de vórtice y también existe cuando se ignora la compresibilidad bidimensional (la divergencia bidimensional se considera cero; la energía proviene de la inercia del propio movimiento del fluido); , por eso también se le llama onda inercial.
③Flujo de Ekman. Fluye dentro de la capa límite planetaria. Su característica principal es que la componente horizontal de la velocidad del fluido cambia en una espiral a lo largo de la altura, lo que se llama espiral de Ekman. Esto se debe a que la velocidad del fluido en la capa disminuye debido a la fuerza viscosa, lo que hace que la fuerza de Coriolis pierda el equilibrio con el gradiente de presión y la gravedad. El flujo de Ekman suele ir acompañado de una velocidad vertical, llamada bombeo de Ekman, que afecta el movimiento a gran escala fuera de la capa límite planetaria.
④Circulación atmosférica. El movimiento con la escala espacial más grande compuesto por todos los movimientos a gran escala en la atmósfera. Se han descubierto dos patrones de circulación atmosférica muy diferentes:
① El patrón de circulación de Rossby es un patrón de circulación atmosférica no axisimétrico compuesto de ondas planetarias obvias. Lleva el nombre de Rossby, quien aclaró las ondas planetarias. La circulación atmosférica terrestre pertenece a este tipo.
② Tipo de célula de Hadley La circulación atmosférica se caracteriza por patrones de circulación atmosférica que son simétricos y cuasisimétricos con respecto al eje de giro de la estrella. Fue aclarado por primera vez por G. Hadley, de ahí el nombre. La circulación atmosférica de Júpiter pertenece a este tipo.
El patrón de circulación atmosférica depende principalmente de la velocidad angular de rotación de la estrella ω y de la diferencia de temperatura |ΔT| entre los polos y el ecuador causada por la radiación solar en la atmósfera de la estrella. Si el calentamiento atmosférico se distribuye axialmente simétricamente y la estrella no gira, el intercambio de calor toma la forma de convección pura, es decir, el aire caliente asciende contra la gravedad y el aire frío desciende y fluye desde el fondo hacia la zona cálida. Es el tipo de célula de Hadley pura. Pero si la estrella gira, bajo la acción de la fuerza de Coriolis, la componente de velocidad vθ a lo largo del círculo meridional en el movimiento atmosférico produce una componente de velocidad vλ a lo largo del círculo latitudinal. Cuanto mayores sean ω y |vθ|, mayor será |vλ|. Después de alcanzar un cierto nivel, el flujo de calor a lo largo del meridiano causado por este movimiento simétrico es demasiado pequeño, y el calor acumulado es transportado por el movimiento horizontal no simétrico, formando ondas planetarias obvias, y la circulación atmosférica cambia. Es Rossby. tipo de célula. Por tanto, cuando ω y |ΔT| son de tamaño medio, la circulación atmosférica es del tipo de células de Rossby. Sin embargo, si |ΔT| es fijo y ω aumenta hasta cierto punto, o si ω es fijo y |ΔT| aumenta demasiado, entonces |vλ| tipo. Se han necesitado más de doscientos años de investigación, especialmente en los últimos treinta años, para comprender finalmente el mecanismo anterior mediante experimentos de simulación del movimiento de un fluido en un disco giratorio y el análisis teórico correspondiente. Esto es de gran importancia para comprender la naturaleza de la atmósfera. circulación.
Si la circulación atmosférica es del tipo de células de Rossby, entonces en algunas bandas de latitud, el aire caliente desciende y el aire frío asciende, lo que es lo opuesto al tipo de células de Hadley. La circulación meridional en estas zonas se denomina célula anti-Hadley. Este es el caso de la atmósfera terrestre en latitudes medias.
⑤Circulación oceánica. El movimiento a mayor escala espacial compuesto por todo tipo de movimientos a gran escala en los océanos de la Tierra.
La circulación oceánica y la circulación atmosférica tienen muchas características, pero las limitaciones geométricas de la costa tienen un claro impacto en las corrientes oceánicas y les confieren sus características. El tipo más simple de patrón de circulación oceánica es la corriente oceánica inercial. En este modo, la tensión del viento, la fuerza de Coriolis y la fuerza de inercia se equilibran entre sí. En mar abierto, las corrientes oceánicas son impulsadas por la tensión del viento y luego fluyen hacia la costa debido a fuerzas de inercia. La fuerza de Coriolis cambia con la latitud para acelerar las corrientes oceánicas que fluyen hacia el oeste, lo que se denomina intensificación hacia el oeste. Costa orientada Restricción, lo que hace que la corriente oceánica fluya hacia latitudes altas y se intensifique (fenómeno de intensificación hacia el norte). Ésta es una característica distintiva de la Corriente del Golfo del Atlántico y de la Corriente Cálida del Pacífico (es decir, la Kuroshio).
El movimiento fluido de la Tierra a menudo se divide en dos categorías: movimiento cuasigeostrófico y movimiento no geostrófico según el grado de influencia de la fuerza de Coriolis:
① Cuasi- movimiento geostrófico. Movimiento que satisface Ro<<1 y Ek<<1. En este tipo de movimiento, la gravedad, la fuerza del gradiente de presión y la fuerza de Coriolis están casi equilibradas, y el movimiento es casi horizontal, con un pequeño componente de velocidad a lo largo de la dirección de la gravedad. La circulación atmosférica y oceánica, las ondas planetarias y los vórtices de gran escala pertenecen al movimiento cuasigeostrófico y son los principales tipos de movimiento a gran escala de los fluidos terrestres.
②Movimiento no geostrófico. Movimientos fluidos de la Tierra distintos del movimiento cuasigeostrófico. En este tipo de movimiento, la gravedad, la fuerza del gradiente de presión y la fuerza de Coriolis no están casi en equilibrio. En fluido libre, Ro <<1 no se mantiene. Las ondas de gravedad-inercial, las ondas de gravedad, la convección, los fuertes vórtices de pequeña escala y las corrientes de Ekman son movimientos no geostróficos.