1,130 matches
-
aer din imediata lor apropiere, determinând astfel uniformizarea în stratul limită a distribuției unor mărimi fizice precum impulsul și temperatura potențială. Spre deosebire de curgerile rotaționale la scară mare, care au scări mici ale adâncimii în comparație cu scara extinderii lor pe orizontală, turbioanele turbulente din stratul limită planetar au scări comparabile în plan orizontal și vertical. Scara maximă a extinderii (10-3 m) este cea corespunzătoare celor mai mici turbioane care pot exista în prezența difuziei prin frecare moleculară. Chiar și atunci când observațiile se fac
ORDINE ȘI DEZORDINE ÎN SISTEME MACROSCOPICE by PARASCHIV DANIELA () [Corola-publishinghouse/Science/1776_a_3171]
-
plan orizontal și vertical. Scara maximă a extinderii (10-3 m) este cea corespunzătoare celor mai mici turbioane care pot exista în prezența difuziei prin frecare moleculară. Chiar și atunci când observațiile se fac la intervale temporale și spațiale foarte mici, curgerea turbulentă va conține întotdeauna mișcări ale căror scări sunt nerezolvabile. Deoarece acestea au frecvențe mai mari decât frecvența observațiilor iar scările lor spațiale sunt mai mici decât scara care separă spațial observațiile. Turbioanele care conțin cea mai mare parte a energiei
ORDINE ȘI DEZORDINE ÎN SISTEME MACROSCOPICE by PARASCHIV DANIELA () [Corola-publishinghouse/Science/1776_a_3171]
-
decât frecvența observațiilor iar scările lor spațiale sunt mai mici decât scara care separă spațial observațiile. Turbioanele care conțin cea mai mare parte a energiei din atmosfera liberă sunt rezolvate de rețeaua de observații sinoptice. Totuși, în stratul limită, turbioanele turbulente nerezolvate de observații au o importanță foarte mare. Prin intermediul transportului de căldură și umezeală de la suprafață acestea mențin echilibrul energetic la suprafață iar transportul impulsului la suprafață mențin echilibrul impulsului. Acest din urmă proces alterează foarte mult echilibrul impulsului
ORDINE ȘI DEZORDINE ÎN SISTEME MACROSCOPICE by PARASCHIV DANIELA () [Corola-publishinghouse/Science/1776_a_3171]
-
este realistă. Fluctuațiile densității nu pot fi neglijate în totalitate, deoarece acestea sunt esențiale pentru reprezentarea forței ascensionale. Totuși, este încă posibil să se facă simplificări importante în ecuațiile dinamicii pentru a se putea aplica stratul limită. Într-un fluid turbulent, câmpul unei variabile precum viteza măsurată într-un punct fluctuează în general rapid în timp pe măsură ce turbioanele la scări diferite trec prin punctul respectiv. Pentru ca măsurătorile să fie cu adevărat reprezentative pentru curgerea la scară mare este necesară medierea curgerii
ORDINE ȘI DEZORDINE ÎN SISTEME MACROSCOPICE by PARASCHIV DANIELA () [Corola-publishinghouse/Science/1776_a_3171]
-
fluctuațiile turbioanelor la scară mică dar, în același timp suficient de mic pentru a păstra tendințele din câmpul curgerii la scară mare. Astfel, vom presupune că putem separa câmpurile variabilelor în câmpuri medii, lent variabile în timp și în componente turbulente, rapid variabile în timp. Urmând schema introdusă de Reynolds, vom presupune deci, că pentru 49 orice câmp al unei variabile, de exemplu, w și , mediile corespunzătoare vor fi indicate barat iar componentele fluctuante prin semnul „prim”. Prin definiție, mediile componentelor
ORDINE ȘI DEZORDINE ÎN SISTEME MACROSCOPICE by PARASCHIV DANIELA () [Corola-publishinghouse/Science/1776_a_3171]
-
o medie este, de asemenea, zero. Așadar, 0'' ww unde am folosit faptul că o variabilă mediată este constantă pe intervalul de mediere. Media produsului componentelor fluctuante (denumită covarianță) nu este întotdeauna zero. De exemplu, dacă în medie viteza verticală turbulentă este orientată în sus, acolo unde deviația temperaturii potențiale este pozitivă și în jos, acolo unde aceasta este negativă, atunci produsul 'w va fi pozitivă și iar variabilele 'w și ' se spune că sunt pozitiv corelate. Din aceste reguli de
ORDINE ȘI DEZORDINE ÎN SISTEME MACROSCOPICE by PARASCHIV DANIELA () [Corola-publishinghouse/Science/1776_a_3171]
-
fi pozitivă și iar variabilele 'w și ' se spune că sunt pozitiv corelate. Din aceste reguli de mediere rezultă că media produsului a două variabile este egal cu produsul mediat al mediilor plus produsul mediat al deviațiilor: 6. Energia cinetică turbulentă Întinderea și răsucirea vortexului asociate turbioanelor determină întotdeauna curgerea energiei turbulente spre scări mai mici, unde energia este disipată prin difuziune moleculară. Astfel, trebuie să existe o producție continuă de turbulență pentru ca energia cinetică turbulentă să rămână statistic staționară. Sursa
ORDINE ȘI DEZORDINE ÎN SISTEME MACROSCOPICE by PARASCHIV DANIELA () [Corola-publishinghouse/Science/1776_a_3171]
-
pozitiv corelate. Din aceste reguli de mediere rezultă că media produsului a două variabile este egal cu produsul mediat al mediilor plus produsul mediat al deviațiilor: 6. Energia cinetică turbulentă Întinderea și răsucirea vortexului asociate turbioanelor determină întotdeauna curgerea energiei turbulente spre scări mai mici, unde energia este disipată prin difuziune moleculară. Astfel, trebuie să existe o producție continuă de turbulență pentru ca energia cinetică turbulentă să rămână statistic staționară. Sursa principală a turbulenței în stratul limită depinde în mod decisiv de
ORDINE ȘI DEZORDINE ÎN SISTEME MACROSCOPICE by PARASCHIV DANIELA () [Corola-publishinghouse/Science/1776_a_3171]
-
al deviațiilor: 6. Energia cinetică turbulentă Întinderea și răsucirea vortexului asociate turbioanelor determină întotdeauna curgerea energiei turbulente spre scări mai mici, unde energia este disipată prin difuziune moleculară. Astfel, trebuie să existe o producție continuă de turbulență pentru ca energia cinetică turbulentă să rămână statistic staționară. Sursa principală a turbulenței în stratul limită depinde în mod decisiv de structura profilelor de vânt și temperatură din apropierea suprafeței Pământului. Dacă gradientul vertical al temperaturii este instabil, atunci turbulența în stratul limită este generată pe cale
ORDINE ȘI DEZORDINE ÎN SISTEME MACROSCOPICE by PARASCHIV DANIELA () [Corola-publishinghouse/Science/1776_a_3171]
-
turbulența în stratul limită este generată pe cale convectivă. Dacă acesta este stabil, atunci generarea turbulenței în stratul limită este datorată instabilității asociate cu forfecarea vântului. Rolul comparativ al acestor procese poate fi mai bine înțeles prin examinarea bilanțului energiei cinetice turbulente. Pentru a investiga producerea turbulenței, vom scădea ecuațiile componentelor impulsului mediu (4.11)-(4.13) din ecuațiile corespunzătoare nemediate (4.3)-(4.5). Vom multiplica apoi rezultatele cu, respectiv, u ' , v ' , w ' , vom aduna cele trei ecuații rezultate și vom
ORDINE ȘI DEZORDINE ÎN SISTEME MACROSCOPICE by PARASCHIV DANIELA () [Corola-publishinghouse/Science/1776_a_3171]
-
ecuațiile componentelor impulsului mediu (4.11)-(4.13) din ecuațiile corespunzătoare nemediate (4.3)-(4.5). Vom multiplica apoi rezultatele cu, respectiv, u ' , v ' , w ' , vom aduna cele trei ecuații rezultate și vom media pentru a obține ecuația energiei cinetice turbulente. Forma completă a acestei ecuații este destul de complicată dar esența sa poate fi exprimată în mod simbolic după cum urmează: este energia cinetică turbulentă pe unitatea de masă, PM este producția de energie mecanică, PPA este producția sau pierderea de energie
ORDINE ȘI DEZORDINE ÎN SISTEME MACROSCOPICE by PARASCHIV DANIELA () [Corola-publishinghouse/Science/1776_a_3171]
-
v ' , w ' , vom aduna cele trei ecuații rezultate și vom media pentru a obține ecuația energiei cinetice turbulente. Forma completă a acestei ecuații este destul de complicată dar esența sa poate fi exprimată în mod simbolic după cum urmează: este energia cinetică turbulentă pe unitatea de masă, PM este producția de energie mecanică, PPA este producția sau pierderea de energie ascensională, RT reprezintă redistribuirea energiei prin transport și forțele de presiune iar reprezintă disiparea prin frecare. este întotdeauna pozitiv, reflectând disiparea de energie
ORDINE ȘI DEZORDINE ÎN SISTEME MACROSCOPICE by PARASCHIV DANIELA () [Corola-publishinghouse/Science/1776_a_3171]
-
pe unitatea de masă, PM este producția de energie mecanică, PPA este producția sau pierderea de energie ascensională, RT reprezintă redistribuirea energiei prin transport și forțele de presiune iar reprezintă disiparea prin frecare. este întotdeauna pozitiv, reflectând disiparea de energie turbulentă prin viscozitate moleculară la cele mai mici scării. Termenul ascensional din (4.16) reprezintă conversia energiei între energia potențială a curgerii medii și energia cinetică turbulentă. Acesta este pozitiv (negativ) prin mișcări care coboară (ridică) sistematic centrul de masă al
ORDINE ȘI DEZORDINE ÎN SISTEME MACROSCOPICE by PARASCHIV DANIELA () [Corola-publishinghouse/Science/1776_a_3171]
-
de presiune iar reprezintă disiparea prin frecare. este întotdeauna pozitiv, reflectând disiparea de energie turbulentă prin viscozitate moleculară la cele mai mici scării. Termenul ascensional din (4.16) reprezintă conversia energiei între energia potențială a curgerii medii și energia cinetică turbulentă. Acesta este pozitiv (negativ) prin mișcări care coboară (ridică) sistematic centrul de masă al atmosferei. Acesta are forma Producția de energie ascensională pozitivă apare atunci când există o încălzire la suprafață astfel încât în apropierea solului se dezvoltă un gradient vertical
ORDINE ȘI DEZORDINE ÎN SISTEME MACROSCOPICE by PARASCHIV DANIELA () [Corola-publishinghouse/Science/1776_a_3171]
-
al temperaturii corespunzător unei stratificări instabile și poate apărea spontan o circulație convectivă. Așa cum este prezentat schematic în fig. 4.6, turbioanele convective au viteza verticală corelată pozitiv cu fluctuațiile temperaturii potențiale și astfel reprezintă o sursă de energie cinetică turbulentă și de flux de căldură pozitiv. Aceasta reprezintă sursa predominantă dintr-un strat limită convectiv instabil. Pentru o atmosferă static stabilă termenul PPA este negativ și astfel va contribui la reducerea sau eliminarea turbulenței. Atât la stratul limită static stabil
ORDINE ȘI DEZORDINE ÎN SISTEME MACROSCOPICE by PARASCHIV DANIELA () [Corola-publishinghouse/Science/1776_a_3171]
-
cât și în cel instabil, turbulența poate fi generată mecanic prin instabilitatea dinamică datorită forfecării vântului. Acest proces este reprezentat de termenul producției de energie mecanică (PM) din relația (4.16) care reprezintă conversia energiei între curgerea medie și fluctuațiile turbulente. Acest termen este proporțional cu forfecarea din curgerea medie și are forma: Așadar, termenul PM este pozitiv atunci când fluxul de impuls este orientat în sens invers gradientului impulsului mediu. Fig. 4.6. Corelația dintre perturbațiile vitezei verticale și ale temperaturii
ORDINE ȘI DEZORDINE ÎN SISTEME MACROSCOPICE by PARASCHIV DANIELA () [Corola-publishinghouse/Science/1776_a_3171]
-
nocturnă, adâncimea stratului limită poate fi de numai câțiva decametri iar amestecul vertical este aproape suprimat. 7. Ecuațiile impulsului în stratul limită Pentru cazul turbulenței omogene pe orizontală deasupra substratului vâscos, termenul vâscozității moleculare și al divergenței fluxului de impuls turbulent pe orizontală pot fi neglijați. Ecuațiile impulsului curgerii medii pe orizontală (4.11 și 4.12) devin așadar: z wu vf x p În general, ecuațiile (4.18) și (4.19) pot fi rezolvate pentru a-i obține pe u
ORDINE ȘI DEZORDINE ÎN SISTEME MACROSCOPICE by PARASCHIV DANIELA () [Corola-publishinghouse/Science/1776_a_3171]
-
11 și 4.12) devin așadar: z wu vf x p În general, ecuațiile (4.18) și (4.19) pot fi rezolvate pentru a-i obține pe u și v numai dacă se cunoaște distribuția verticală a fluxului de impuls turbulent. Deoarece acesta depinde de structura turbulenței, nu este posibilă o soluție generală. Se utilizează în acest caz unele metode de aproximare semi-empirice. În afara stratului limită, aproximația rezultată este, așadar, un echilibru geostrofic. În stratul limită, termenii inerțiali sunt încă mici
ORDINE ȘI DEZORDINE ÎN SISTEME MACROSCOPICE by PARASCHIV DANIELA () [Corola-publishinghouse/Science/1776_a_3171]
-
caz unele metode de aproximare semi-empirice. În afara stratului limită, aproximația rezultată este, așadar, un echilibru geostrofic. În stratul limită, termenii inerțiali sunt încă mici în comparație cu termenul forței Coriolis și cel al forței gradientului de presiune dar termenii fluxului turbulent trebuie să fie luați în considerație. Așadar, într-o primă aproximație, ecuațiile stratului limită planetar exprimă echilibrul dintre forța Coriolis, forța gradientului de presiune și divergența fluxului turbulent de impuls: 54 0) Dacă stratul limită convectiv este limitat superior de
ORDINE ȘI DEZORDINE ÎN SISTEME MACROSCOPICE by PARASCHIV DANIELA () [Corola-publishinghouse/Science/1776_a_3171]
-
forței Coriolis și cel al forței gradientului de presiune dar termenii fluxului turbulent trebuie să fie luați în considerație. Așadar, într-o primă aproximație, ecuațiile stratului limită planetar exprimă echilibrul dintre forța Coriolis, forța gradientului de presiune și divergența fluxului turbulent de impuls: 54 0) Dacă stratul limită convectiv este limitat superior de un strat stabil, atunci amestecul turbulent poate conduce la formarea unui strat bineamestecat. Astfel de straturi limită apar în mod obișnuit deasupra uscatului în timpul zilei, atunci când încălzirea la
ORDINE ȘI DEZORDINE ÎN SISTEME MACROSCOPICE by PARASCHIV DANIELA () [Corola-publishinghouse/Science/1776_a_3171]
-
considerație. Așadar, într-o primă aproximație, ecuațiile stratului limită planetar exprimă echilibrul dintre forța Coriolis, forța gradientului de presiune și divergența fluxului turbulent de impuls: 54 0) Dacă stratul limită convectiv este limitat superior de un strat stabil, atunci amestecul turbulent poate conduce la formarea unui strat bineamestecat. Astfel de straturi limită apar în mod obișnuit deasupra uscatului în timpul zilei, atunci când încălzirea la suprafață este puternică și deasupra oceanelor, atunci când aerul din apropierea suprafeței mării este mai rece decât temperatura apei la
ORDINE ȘI DEZORDINE ÎN SISTEME MACROSCOPICE by PARASCHIV DANIELA () [Corola-publishinghouse/Science/1776_a_3171]
-
și temperatura potențială sunt aproape independente de înălțime, așa cum se arată schematic în fig. 4.7 iar într-o primă aproximație se poate considera stratul ca fiind plan, cu profilul vitezei și al temperaturii potențiale constante cu înălțimea iar fluxurile turbulente cu variația liniară pe înălțime. Pentru simplitate, vom presupune că turbulența este zero în partea superioară a stratului limită. Profilul temperaturii potențiale medii 0 și al vântului mediu zonal U , într-un strat limită bine-amestecat. Adaptată după Stull (1988). Lucrul
ORDINE ȘI DEZORDINE ÎN SISTEME MACROSCOPICE by PARASCHIV DANIELA () [Corola-publishinghouse/Science/1776_a_3171]
-
mediu zonal U , într-un strat limită bine-amestecat. Adaptată după Stull (1988). Lucrul mecanic efectuat de curgerea spre regiunea de presiune joasă echilibrează disiparea prin frecare la suprafață. Deoarece turbuleanța din stratul limită reduce viteza vântului, termenii fluxului de impuls turbulent sunt adesea denumiți termeni de frecare în stratul limită. Trebuie reținut faptul că forțele implicate sunt cele datorate turbulenței și nu vâscozității moleculare. Din punct de vedere calitativ, curgerea care traversează izobarele în stratul limită poate fi interpretată ca un
ORDINE ȘI DEZORDINE ÎN SISTEME MACROSCOPICE by PARASCHIV DANIELA () [Corola-publishinghouse/Science/1776_a_3171]
-
că forțele implicate sunt cele datorate turbulenței și nu vâscozității moleculare. Din punct de vedere calitativ, curgerea care traversează izobarele în stratul limită poate fi interpretată ca un rezultat direct al echilibrului dintre gradientul de presiune, forța Coriolis și frânarea turbulentă Echilibrul acestor forțe este ilustrat în fig.4.8. Deoarece forța Coriolis este întotdeauna normală la vectorul viteză iar frânarea turbulentă este o forță de întârziere, suma lor poate echilibra perfect forța gradientului de presiune numai dacă vântul este orientat
ORDINE ȘI DEZORDINE ÎN SISTEME MACROSCOPICE by PARASCHIV DANIELA () [Corola-publishinghouse/Science/1776_a_3171]
-
stratul limită poate fi interpretată ca un rezultat direct al echilibrului dintre gradientul de presiune, forța Coriolis și frânarea turbulentă Echilibrul acestor forțe este ilustrat în fig.4.8. Deoarece forța Coriolis este întotdeauna normală la vectorul viteză iar frânarea turbulentă este o forță de întârziere, suma lor poate echilibra perfect forța gradientului de presiune numai dacă vântul este orientat spre zona de presiune scăzută. Mai mult, este ușor de observat că pe măsură ce frânarea turbulentă crește devenind dominantă, unghiul
ORDINE ȘI DEZORDINE ÎN SISTEME MACROSCOPICE by PARASCHIV DANIELA () [Corola-publishinghouse/Science/1776_a_3171]