Influye en la distribución del fitoplancton y otros organismos marinos
La turbulencia es un área de la dinámica de fluidos que se conoce e investiga desde hace más de un siglo. La mayoría de nosotros somos conscientes de ello como un concepto de nuestros viajes en el aire, en el que, en el mejor de los casos, puede ser un inconveniente, pero en el peor, una aterradora y peligrosa experiencia.
De hecho, esto quedó claramente demostrado recientemente cuando, en mayo de 2024, un vuelo de Singapore Airlines de Londres a Singapur sufrió graves turbulencias que resultaron mortales para un pasajero y dejaron a muchos otros heridos.
Quizás menos familiar para la gente sea el fenómeno específico de la turbulencia penetrante, o convección penetrativa, que es el tema de un reciente artículo de revisión escrito por el profesor Zijing Ding y su equipo de la Escuela de Ciencias e Ingeniería de la Energía del Instituto de Tecnología de Harbin en China.
La turbulencia penetrante ocurre cuando un fluido que ha sido calentado de manera inestable penetra en otra capa de fluido que ha sido estratificado de manera estable. Es un fenómeno que se observa a menudo en entornos naturales y de ingeniería a gran escala, y es especialmente importante en las ciencias terrestres y planetarias, como se destaca.
Por ejemplo, se cree que la turbulencia penetrante desempeña un importante papel en el transporte de masa-momento en la tacoclina (la región de transición de las estrellas entre el interior radiativo y la zona convectiva exterior de rotación diferencial); y, aquí en la Tierra, también es importante en invierno para la vida oceánica submarina. Influye en la distribución del fitoplanctonfitoplancton y otros organismos marinos y, por lo tanto, puede servir como indicador de la salud de los ecosistemas y contribuir al ciclo del carbono dentro de estos cuerpos de agua.
En nuestra atmósfera, la turbulencia penetrante es fundamental para los movimientos de los sistemas de circulación clave y, por lo tanto, su incorporación exitosa a los modelos de predicción afecta en última instancia a nuestra capacidad de pronosticar el tiempo. Por supuesto, esto cobra una importancia añadida en el actual contexto de cambio climático y los efectos que está teniendo en forma de fenómenos meteorológicos extremos, como sequías e inundaciones.
Imagen: Una representación gráfica que delinea la mecánica de la convección penetrante, acompañada de los principales elementos contribuyentes. Varios factores y sus impactos están simbolizados por círculos con un ejemplo representativo, mientras que las flechas y los descriptivos indican cómo cada uno influye en la convección penetrante. Crédito: Avances en Ciencias Atmosféricas (2024). DOI: 10.1007/s00376-024-4014-0
"Nuestro artículo examina anteriores estudios teóricos, numéricos y experimentales sobre la turbulencia penetrante, junto con estudios de campo que han proporcionado información sobre el modelado de turbulencia", explica el profesor Ding.
"Analizamos los factores físicos que inician la convección penetrante y aplicamos métodos de última generación para comprender mejor sus mecanismos de transporte y propiedades estadísticas, y discutimos algunas perspectivas que surgen del conocimiento que hemos adquirido en términos de implicaciones y aplicaciones prácticas en diversos campos científicos".
Un tema central de la revisión es la derivación de leyes de escala integradas en la turbulencia penetrante a gran escala. La capacidad de hacerlo, por ejemplo, ha mejorado nuestra comprensión de la dinámica de distribución del calor en los océanos, que, cuando se integra con otros factores oceanográficos dinámicos, como las corrientes impulsadas por el viento y la circulación termohalina, puede ayudar a dilucidar las influencias de los procesos oceánicos y el derretimiento de los glaciares en el clima de la Tierra.
Además, la exploración de la convección penetrante se extiende más allá de los sistemas naturales hasta aplicaciones técnicas en ingeniería, como el diseño de intercambiadores de calor y la optimización de sistemas de energía geotérmica.
"Sin embargo, las aplicaciones prácticas a menudo exponen las limitaciones de nuestros modelos teóricos", añade el profesor Ding, "y este es quizás el caso más notable en las ciencias atmosféricas".
La frecuencia de fenómenos meteorológicos extremos está aumentando debido al calentamiento global, y los científicos han sido conscientes de que la convección penetrante es un factor que contribuye a esta tendencia. Al integrar representaciones más precisas de la convección penetrante en los modelos climáticos, debería ser posible generar predicciones más confiables de los patrones climáticos a largo plazo.
"En definitiva, en las ciencias atmosféricas nuestro objetivo es claro", concluye el profesor Ding. "Necesitamos un modelo más realista de convección atmosférica para facilitar mejores predicciones tanto del tiempo como del clima. Esto requiere que incorporemos con éxito influencias como las condiciones límite, la rotación de la Tierra y la radiación solar, por nombrar sólo algunas".
Los avances en nuestra comprensión de la turbulencia penetrante son fundamentales para estos objetivos, y esta oportuna revisión realizada por el profesor Ding y sus colegas proporciona un valioso punto de referencia para que los científicos continúen sus estudios en este importante campo.
El artículo ha sido publicado en la revista Advances in Atmospheric Sciences: Scaling Laws Behind Penetrative Turbulence: History and Perspectives
