Circulación Atmosférica

¿Cuál es el modelo simulable más simple que le da a nuestra tierra giratoria sus 3 celdas de circulación (Hadley, Ferrel, Polar)? El modelo también debería mostrar 1 celda de circulación si la rotación de la tierra se detuviera (o en un caso como el de Venus), y ninguna circulación si la radiación fuera de alguna manera uniforme hacia/desde la tierra (en lugar del verdadero calentamiento del ecuador debido al punto del sol). fuente). Por cierto, sería bueno si el mismo modelo pudiera mostrar 8 celdas de circulación en un caso como el de Júpiter.

espero la tierra 23 ∘ la inclinación puede ser ignorada. Los parámetros importantes parecen ser el radio del planeta, la velocidad de rotación del planeta, la masa del planeta, la masa de la atmósfera, la densidad molar de la atmósfera (tratada como un gas ideal con absorción de energía de la superficie terrestre, pero no directamente de los rayos del sol), y la viscosidad de la atmósfera. Espero que la superficie de la tierra pueda modelarse simplemente con un perfil de temperatura constante, aumentando desde el polo hasta el ecuador (o, me pregunto si se necesitarán ciclos térmicos diarios de este perfil de temperatura de la superficie para generar múltiples celdas de circulación).

De todos modos, usando parámetros como estos, espero ver una fórmula justificable que dé 3 (aún no puedo aceptar las explicaciones cualitativas de "El aire de la celda Hadley cae con inercia y fricción" en Internet).

Me gustaría saber la respuesta a esto. Sólo un pequeño comentario: aunque el forzamiento horizontal es importante, la circulación atmosférica es impulsada en gran medida por el gradiente vertical (es decir, el suelo se calienta y la atmósfera superior se enfría debido a la emisión de radiación térmica). De memoria, creo que esto disipa alrededor de 10 veces más energía que el forzamiento horizontal. Entonces, si no hubiera un gradiente horizontal en el forzamiento, probablemente todavía habría una circulación, solo que no estaría organizada en celdas de convección coherentes de la misma manera.
Conozco algunos modelos GCM reducidos, donde la superficie de la Tierra se supone uniforme y la atmósfera se supone seca (algunos se mencionan aquí, por ejemplo). Sin embargo, desde mi punto de vista, estos no son realmente los modelos más simples posibles: aún contienen muchas parametrizaciones empíricas y aún son demasiado complejos para comprenderlos completamente. El modelo de simulación más simple probablemente asumiría que el flujo es rotacionalmente simétrico y solo simularía un corte 2D a lo largo de una línea de longitud, pero no conozco ningún modelo de atmósfera que se vea así.
Es difícil para mí entender cómo el gradiente vertical podría amplificar la circulación, por lo que tal vez alguien podría simplemente mostrar una simulación de flujo de aire para un planeta que no gira con una celda de circulación. Me parece que el enfriamiento de la atmósfera superior alrededor del ecuador en realidad ralentizaría la circulación... pero todo es bastante complicado, especialmente modelando la difusión/convección térmica dentro del aire. Como no hay mucho interés en esta pregunta, me pregunto si alguien podría dar una explicación cuantificable de la célula de Ferrel; ¿Por qué fluiría el "aire caliente del sur" bajo el frío "aire del norte"?
Para comprender por qué el gradiente vertical amplifica la circulación, debe observar la convección de Rayleigh-Bénard . Creo que esto te ayudará a hacerte una idea de por qué existe también la célula de Ferrel. Si tengo la oportunidad, veré si puedo publicar una respuesta en la línea de lo que acabas de describir, pero significará pasar un tiempo investigando los detalles, por lo que no puedo garantizar que lo haga.
Gracias, buen enlace. Lo entiendo ahora, pero ahora pensaría que incluso una tierra que no gira podría tener múltiples celdas de convección. Entonces, siento que la simulación siempre es necesaria y no hay esperanza para la "fórmula justificable" que pedí. Para el simulador, parece que necesito agregar otro parámetro para la radiación térmica del aire de regreso al espacio.
Me imagino que una Tierra que no gira probablemente podría tener múltiples celdas de convección, pero en general la dinámica sería muy diferente, porque no habría fuerza de Coriolis y, por lo tanto, no habría corrientes en chorro. En general, parece que en la ciencia atmosférica, las simulaciones son muy a menudo necesarias, y también es a menudo muy, muy difícil hacerlas.

Respuestas (1)

La explicación y análisis más simple está aquí: http://home.uevora.pt/~ahr/D.pdf

Se basa en la ley constructiva. La ley constructiva promovida por Bejan&al, pertenece a la familia de los principios variacionales pero se ocupa de distribuciones de flujo macroscópicas. Según Bejan, la ley constructiva pertenece a las leyes de la naturaleza cercanas pero diferentes a la segunda ley de la termodinámica.

La ley constructiva dice que en cualquier sistema de flujo, el flujo se organizará de tal manera que se maximizará el acceso de cada parte del sistema a la configuración del flujo. Esto se parece a las ideas sobre la producción de entropía máxima/mínima, pero en realidad es diferente.

Para ser completo, la existencia de una ley constructiva como ley de la naturaleza generalmente no es aceptada por los especialistas en mecánica de fluidos. Personalmente, me mantengo agnóstico: el estado de la ley no está demostrado, pero los resultados obtenidos al aplicar este principio son correctos en la mayoría de los casos.

Para resumir este artículo, que es bastante largo y trata también de la transferencia de calor diurno entre la mitad caliente del día y la mitad fría de la noche, destaco:

  • el número de celdas depende de la velocidad de rotación y de la diferencia de temperatura entre el ecuador y el polo. Para rotaciones lentas (> 144 h) se desarrolla una sola célula. Para rotaciones rápidas (< 24 h) se desarrollan 3 células. Para una velocidad de rotación fija, el número de celdas está más modulado por la diferencia de temperatura. A las 24 horas y 20°C solo está presente una celda, para 60°C (Tierra real) hay 3 celdas presentes. Para 130°C la célula polar desaparece.

  • Bejan considera una fuente de calor (banda ecuatorial) de superficie AH y un disipador de calor (casquete polar) de superficie AL con fracciones AH/A = x y AL/A = 1-x. La mayor parte del documento se utiliza luego para definir las características del flujo convectivo 3D de AH a AL.

  • Una vez caracterizados los flujos, Bejan aplica la ley constructiva que dice que los flujos se configurarán de tal forma que se maximice el transporte de calor Q (ecuador -> polo).
    por ejemplo, (dQ/dx) a TH constante = 0 y (dQ/dx) a TL constante = 0. Esto produce 2 soluciones para x, por lo tanto, 2 particiones de la superficie. En 1, la fuente es la celda de Hadley y los sumideros son las celdas (Ferrel + Pole), mientras que en 2 las fuentes son las celdas (Hadley + Ferrel), mientras que el sumidero es la celda de Pole. Por lo tanto, el sistema maximiza la transferencia de calor con 3 celdas donde la del medio juega un papel de intermediario: sumidero para una y fuente para la otra.

  • Independientemente de si uno cree en la ley constructiva como una ley natural o una aproximación de una ley aún no probada y/o desconocida, encuentro el artículo interesante, consistente y los resultados son confirmados por la observación. Usar el modelo en Júpiter no sería fácil porque la mayor parte del modelo se ocupa de las propiedades dinámicas de los fluidos (corte, turbulencia, etc.) que no se conocen en la atmósfera de Júpiter cuyas profundidades son totalmente diferentes a las de la Tierra.

Si estoy hojeando ese documento correctamente, su modelo constructivo no predice una sola celda para períodos de rotación de> 144 h (solo dan referencias a otros documentos que lo muestran), ¿verdad?
Si, esto es correcto. Desde el punto de vista cualitativo, tiene sentido que los cuerpos que giran muy rápido destruyan estructuras complejas transversales del ecuador y el polo.
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