¿Por qué las diferentes masas de aire no se mezclan inmediatamente?

Siempre hay una razón, aunque para diferentes frentes meteorológicos, la discusión tiene que ser diferente.

Las diferentes densidades tienen que tener una razón: diferente presión y/o humedad, etc. Si hay una presión diferente, hay una fuerza mecánica que preserva la diferencia de presión: piense en los ciclones que tienen una presión más baja en el centro. Los ciclones giran en la dirección correcta y el ciclón puede ser preservado por la fuerza de Coriolis.

Si las dos masas de aire difieren en cuanto a la humedad, la mezcla casi siempre conducirá a la precipitación, lo que incluye una transición de fase para el agua, etc. Esto se debe a que el vapor de la masa de aire más húmeda se condensa bajo las condiciones de la otra. Tienes algo de lluvia. En general, las precipitaciones intensas, las tormentas eléctricas y otros fenómenos meteorológicos aislados visibles están vinculados a los frentes meteorológicos.

En cualquier caso, una mezcla de dos masas de aire es un proceso violento no trivial en general. Es por eso que el límite se llama "frente". En la jerga militar, un frente es la frontera disputada de un conflicto. Entonces, su idea de que las masas de aire podrían mezclarse rápida y pacíficamente, independientemente de lo que quiera decir exactamente cuantitativamente, o bien ignora la inercia del aire, un coeficiente de difusión relativamente bajo, una baja conductividad térmica y/o un alto calor latente del vapor de agua. Un frente es algo que no desaparece en cuestión de minutos, así que tautológicamente, debe haber fuerzas que hagan imposible una desaparición tan rápida.

La forma de las nubes, etc. es complicada y los modelos meteorológicos no las capturan bien. Y seguramente no planeo defender modelos climáticos a largo plazo cuyas predicciones no están correlacionadas con la realidad y, de hecho, generalmente resultaron tener una correlación negativa. Pero les aseguro que los modelos meteorológicos utilizados para pronosticar el clima para el próximo débil se ocupan de los frentes meteorológicos -son unas de las principales entidades con las que tienen que lidiar estos modelos- y los predicen de manera satisfactoria, al menos a nivel cualitativo. , utilizando únicamente las conocidas leyes de la física.

Me gustaría agregar algunos puntos a la otra respuesta. Se podría considerar que la pregunta es por qué la atmósfera de la Tierra consiste en el equivalente termodinámico de "dominios". ¿Por eso hay diferentes regiones (de valores de parámetros homogéneos) con discontinuidades entre esas regiones? Estas regiones aquí son las "masas de aire", definidas como que tienen una temperatura y humedad homogéneas, que se enumeran en los artículos de Wiki.

Cabe señalar que cualquier pregunta sobre la atmósfera es una pregunta que abarca muchas áreas de la física: termodinámica, turbulencia, procesos químicos. Como sistema turbulento, la atmósfera no está en equilibrio, por lo que, por ejemplo, no tiene una temperatura constante, ni siquiera un gradiente de temperatura constante en el tiempo o en la superficie. Sin embargo, se encuentra en un estado algo estable con la energía solar, y esto da como resultado el equivalente atmosférico de grandes remolinos.

Como explica el artículo de Wiki, las regiones de "masa de aire" en realidad se mantienen a su temperatura y humedad por su estructura de suelo y vegetación subyacentes. De acuerdo con ese diagrama también, las regiones de masas de aire en realidad están separadas físicamente entre sí. Entonces, solo interactuarán cuando el aire sobre uno de ellos se mueva cerca del territorio de otro. Parte de la causa de este movimiento será la rotación de la Tierra y sus consecuencias en la circulación.

Ahora, por definición, una región de masa de aire tiene una temperatura y una humedad determinadas. Pero la humedad es realmente una medida de la mezcla de aire y agua, por lo que el "gas" (es decir, el estado gaseoso) de cada región es diferente. Dicho de otra manera, la composición química de las dos regiones es diferente, así como su temperatura. Ahora, un factor que surge es que el aire más húmedo es menos denso que el aire menos húmedo (al parecer, originalmente descubierto por Newton). Otro factor es que la humedad (absoluta y relativa) puede duplicarse con un simple$10^o$cambio de temperatura, resultando en saturación o casi saturación. También tenemos que el aire a menor temperatura puede contener menos agua que el aire a mayor temperatura.

Entonces, en regiones con diferentes niveles (T, H), tiene que ser termodinámicamente atractivo para que se mezclen de inmediato, y el escenario descrito anteriormente no parece prometedor... Básicamente, el aire más cálido (siendo menos denso y tal vez con más agua) elevarse por encima del aire más frío en lugar de simplemente mezclarse. Desafortunadamente, esto tiene consecuencias para los que se encuentran en las inmediaciones. El impulso del aire más frío y más denso también lo mantiene moviéndose en su dirección original algo intacto.

Ojalá en otros planetas hagan las cosas de manera diferente.

De hecho, se mezclan, aunque debido a la escala de tiempo puede ser una simplificación mental razonable tratarlos como si no lo hicieran. Los meteorólogos hablan de frontogénesis y frontólisis, que es la creación y muerte de los frentes meteorológicos. Los frentes como funciones escalonadas ideales no existen cambios en las propiedades del aire, pero sí los gradientes pronunciados. Por lo general, hay alguna mezcla mecánica de inhibición dinámica, como aire más denso debajo de aire más ligero. Pero incluso en ese caso, aún tendría la difusión funcionando para disminuir los gradientes.