sábado, 28 de enero de 2012

Nubeola

En las vacaciones estuve en la Patagonia Austral, costa y cordillera, una experiencia que alcanza para justificar a la Tierra como mi planeta favorito. Desde el color verde del mar, saturado de clorofila, hasta las increíbles agujas de granito de un kilómetro de altura de los macizos Fitz Roy y Torre, pasando por los sorprendentes azules del hielo glaciar que se convierten en verdes en los lagos, vi muchas cosas para contar aquí.
Empecemos hoy con esta nube matinal en forma de ola, asomada detrás del Fitz Roy. ¿No es un encanto de nube? Pensar que esas formas deben estar todo el tiempo en la atmósfera, y las vemos solamente cuando alguna nube, humo o polvo las vuelven visibles. ¡Ah, si las puertas de la percepción estuviesen abiertas!

Estas nubes se llaman nubes de Kelvin-Helmholtz, ya que se producen mediante un mecanismo llamado precisamente inestabilidad de Kelvin-Helmholtz, con el nombre de los dos físicos que analizaron el fenómeno en el siglo XIX. Acá la vemos más de cerca. Es un fenómeno bastante común en la naturaleza, pero yo nunca lo había visto en las nubes (pero si buscan en imágenes de Google van a encontrar montones). Se produce cuando dos capas de fluido adyacentes se mueven una con respecto a la otra sin mezclarse. El caso más conocido, sin duda, es el de las olas del mar: el viento se mueve rápido sobre la superficie del agua, y la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz produce las olas. En el caso de la nube hay un solo fluido, el aire, pero a veces existen capas con distinta temperatura, densidad y velocidad que se mantienen separadas un buen rato, sin mezclarse.

Otro caso de olas de Kelvin-Helmholtz en un mismo fluido ya lo mostré aquí el año pasado. Se trata del encantador diseño que forman las algas microscópicas en el Mar Argentino en primavera y verano. Aquí está la foto (pero vayan a ver la original en toda su resolución). En este caso los dos fluidos son las corrientes de Brasil y de Malvinas, y la inestabilidad se produce lateralmente en lugar de verticalmente.
Hace un año, durante la Tormenta Serpiente en Saturno, pudimos ver vórtices de este tipo en el planeta gigante. En esa ocasión conjeturé que podría tratarse de otro fenómeno de la dinámica de fluidos, la calle de von Kármán, un corredor de vórtices alternados que se forma aguas abajo de un obstáculo. Claro que ¡en Saturno no había obstáculo! Hoy por hoy, me parece más bien que lo que veíamos era este fenómeno de Kelvin-Helmholtz, en la interfase entre bandas de viento de distinta velocidad. En el detalle destacado de esta imagen se ven los vórtices sin la alternancia característica del fenómeno de von Kármán.

La dinámica de fluidos no es mi especialidad, pero el mecanismo cualitativo de la inestabilidad no es difícil de entender. Imaginemos las dos capas separadas por una interfase plana, como se ve en la parte a) de la ilustración. Si se forma una perturbación en la interfase, una subidita y una bajadita como se ve en b), se produce una inestabilidad. La presión sobre la parte convexa de la interfase es menor que sobre la parte cóncava, de manera que la perturbación crece. La presión es menor por una causa similar al efecto Bernoulli (que provee la sustentación a las alas de los aviones, la aspiración de la nafta en el carburador, la voladura de los techos de las casas cuando pasa un huracán, el choque —tal vez— del Costa Concordia contra  el escollo, etc.). Como la situación es inestable la convexidad crece y el viento la arrastra, formando el rulo. Es fácil imaginar que el fenómeno se puede repetir de manera autosimilar a distintas escalas (salvo mecanismos disipativos que tiendan a estabilizar el perfil), haciendo la ola extremadamente intrincada. El mecanismo de Kelvin-Helmholtz es una de las vías por las cuales el flujo se vuelve turbulento (ver la imagen al final de la nota, por ejemplo).

Dicen los libros que la inestabilidad se produce cuando el número de Richardson es menor que 0,25. El número de Richardson es Ri = g×a /v2, donde g es la aceleración de la gravedad, a es la escala vertical y v una velocidad representativa. Tomando g = 9,8 m/s2 y a = 100 m (comparando con la montaña), despejando v se obtiene para la velocidad de la inestabilidad unos 60 m/s, o sea algo más de 200 km/h. Guau. Pocos días después, mientras me agachaba para tomar una foto de un témpano en la Laguna Torre, una ráfaga de viento a ras del suelo me derribó. El viento cerca de la cima del Fitz Roy bien pudo moverse a 200 km/h esa mañana.

No puedo irme sin mostrar esta imagen de la Tormenta Serpiente que, creo, no había mostrado en el blog. Aparte de la turbulencia (rulos dentro de rulos), observen en el extremo izquierdo de ambas imágenes, justo debajo del guión de "2011-02": un rulito aislado en una interfase. Otras imágenes de la tormenta, procesadas por mí pero que no mostré aquí, están en mi photostream de Flickr.



La imagen del fitoplankton es de la NASA, modificada por mí. Las imágenes de Saturno son mías, basadas en imágenes de NASA/Ciclops/JPL/Cassini. El resto son mías. Por favor consulte si quiere usarlas. 

La foto de la nubeola tras el Chaltén fue tomada el 13 de enero de 2012 a las 07:40 (UT-3), desde el pueblo de El Chaltén. 

No se pierdan este "tsunami" de olas K-H filmadas en Alabama el mes pasado.

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