Surfeando las ondas


Las ondas de Rossby ocurren en flujos rotantes, y juegan un papel importante en la atmósfera y los océanos pero también en otros planetas y en objetos astrofísicos. Como vimos en clase, suelen llamarse “ondas planetarias” por las escalas espaciales y temporales involucradas. Aparecen como resultado de un intento del fluido por recobrar el balance geostrófico, y en la atmósfera de la Tierra son parcialmente responsables de la transferencia de calor desde los trópicos hacia el polo, y de aire frío desde los polos hacia regiones más cálidas. El siguiente video muestra una simulación numérica de la atmósfera en la que se ve claramente una onda de Rossby:


Alrededor del minuto 0:16 pueden ver el patrón oscilatorio. Las ondas de Rossby también aparecen en el océano, y pueden generar mareas muy altas o inundaciones costeras en ciertos lugares del mundo. Como son un fenómeno lento, su dinámica y sus efectos tienen puntos en común con oscilaciones como las del Niño (aunque sus orígenes son muy diferentes).

Como mencioné en clase, las ondas de Rossby se observan también en sistemas astrofísicos. Fueron observadas en las atmósferas de Venus y Júpiter. Se cree que juegan un rol importante en discos de acreción (se usan para explicar observaciones de modulaciones en la emisión térmica de los discos alrededor de estrellas en formación y de agujeros negros). Como ejemplo astrofísico, aquí tienen un video con observaciones de estas ondas en el Sol, comparadas con el equivalente en la atmósfera terrestre):


Como un arcoíris


No dejen de ver este posteo con información importante sobre la materia. Y luego, cumplo con la promesa de subir algunos videos con experimentos de laboratorio de algunos de los efectos que vimos en la última clase.

Comencemos con un repaso de física muy sencilla. La fuerza de Coriolis juega un rol importante en la dinámica de las estructuras más grandes que aparecen en flujos atmosféricos, océanicos, y en el interior de las estrellas. Aquí pueden ver un video introductorio para repasar el efecto de esta fuerza:


La generación de viento térmico es un poco mas difícil de reproducir (y de visualizar), pero el siguiente video hace un trabajo aceptable explicando el fenómeno:


Finalmente, como vimos en clase, los flujos rotantes suelen organizarse en estructuras con forma de columnas, con simetría de traslación a lo largo del eje de rotación. Los siguientes dos videos ilustran la formación de una columna de agua “quieta” por encima de un obstáculo, de forma tal que la tinta (que se encuentra en un nivel mas alto que el del obstáculo) se ve obligada a bordearla. El segundo video muestra más claramente el dispositivo experimental, y la altura del obstáculo comparada con la del nivel del agua y la altura de la tinta (más cercana a la superficie que al obstáculo):


Todas las pequeñas cosas


A partir de hoy tendremos clases en los horarios y aulas usuales de la materia. Es decir, la práctica de 14 a 17 hs en el laboratorio 1103 del edificio Cero-Infinito, y la teórica de 17 a 19 hs en el aula 1206 del mismo edificio.

En la última clase vimos que los invariantes ideales (es decir, las magnitudes conservadas en el límite ideal y sin fuerzas externas) de las ecuaciones que describen un fluido incompresible dependen de la dimensionalidad del problema. En tres dimensiones tenemos una sola magnitud conservada (la energía cinética), mientras que en dos dimensiones tenemos dos magnitudes conservadas (la energía cinética y la enstrofía). Como adelanté en clase, vamos a ver que el número de magnitudes invariantes tiene un fuerte efecto en los patrones y las soluciones que aparecen en estos sistemas. A modo de ilustración, a continuación pueden ver una imagen de una simulación numérica de un flujo turbulento en tres dimensiones:

Lo que ven en amarillo son regiones con mucha vorticidad. Los paneles (de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo) muestran zoom sucesivos del flujo en las regiones indicadas en blanco en el panel previo. Noten como el flujo tiende a generar estructuras de vorticidad muy pequeñas, generando desorden.

En dos dimensiones la situación es muy diferente:

No se preocupen por ahora por los espectros que se ven a la derecha de esta figura. Pero noten, a la izquierda, la distribución de espacial de vorticidad (a). A diferencia del caso tridimensional, se forman espontáneamente estructuras ordenadas con dos grandes vórtices. Aunque las ecuaciones físicas son las mismas, el cambio en el número de magnitudes conservadas explica la diferencia entre los patrones emergentes. Y aunque esto no es suficiente para entender los patrones macroscópicos que observamos en atmósferas planetarias, el efecto de la dimensionalidad del flujo no es despreciable: