Ondas de gravedad

  Ondas de gravedad externas

Las ondas de gravedad externas solamente pueden existir si el fluido tiene una superficie libre o existe una discontinuidad de la densidad en su interior. La fuerza restauradora actúa verticalmente y la onda se propaga a lo largo de la superficie del fluido. Esto se muestra en la figura inferior.

Para aislar los mecanismos que actúan en las ondas de gravedad puras se ignoran los efectos de la compresión, la rotación terrestre y el rozamiento. Por consiguiente, se omiten estos términos de las ecuaciones del movimiento en las direcciones del eje "y" y del "z", así como de la ecuación de continuidad en dos dimensiones. Las olas que se forman en el agua son un ejemplo claro de estas ondas de gravedad externas. Mediante la aplicación del método de las perturbaciones se obtienen ondas con la siguiente velocidad:

En este ecuación, "h" representa la altura de la superficie (o de la discontinuidad entre dos capas uniformes) sobre la que se forma la onda. La velocidad de la onda se compone de dos partes: la primera establece que el sistema ondulatorio es transportado por la corriente y la segunda representa los efectos gravitatorios, como se aprecia por la presencia de "g". Resulta útil considerar dos casos extremos. El primero es cuando Tanh(x) se aproxima a la unidad, al crecer "x" entonces el espesor del fluido aumenta en relación con la longitud de onda, y la ecuación resulta:

El segundo caso extremo es cuando x se hace muy pequeña, de manera que entonces Tanh(x) es aproximadamente igual a "x", lo que se traduce en:

Esta es la velocidad de ondas muy largas comparadas con el espesor del fluido. En ambos casos, la velocidad de fase de las ondas individuales es la misma. Luego las ondas muy cortas y las muy largas son (casi) no dispersivas. En el caso de ondas intermedias, la velocidad de fase depende de la longitud de onda, con lo que éstas son dispersivas. Las ondas en una superficie de agua son un buen ejemplo de ondas de gravedad dispersivas. Esto se ilustra en la figura inferior.

  Ondas de gravedad internas

Las ondas de gravedad internas, también llamadas ondas de flotabilidad ("buoyancy waves"), sólo pueden existir cuando la atmósfera tiene una estratificación estable. En este caso, si una parcela de fluido es desplazada verticalmente de su posición de equilibrio experimentará un movimiento oscilatorio a causa de la diferencia de densidad respecto al aire externo (flotabilidad). Como la fuerza restauradora en este caso es la flotabilidad, lo más apropiado es utilizar el término "ondas de flotabilidad". En un fluido como el océano que está limitado por arriba y por abajo, las ondas de gravedad se propagan principalmente en un plano horizontal, puesto que las que se desplacen verticalmente son reflejadas por ambas superficies para formar ondas estacionarias. Sin embargo, en un fluido que no tenga límite superior, como es el caso de la atmósfera, las ondas de gravedad se pueden propagar tanto vertical como horizontalmente.

En las ondas que se propagan verticalmente la fase es una función de la altura. A éstas se las llama ondas internas. Las ondas de gravedad internas no suelen ser importantes en movimientos de escala sinóptica, pero pueden llegar a serlo en movimientos de mesoescala. Por ejemplo, las que se forman a sotavento de sistemas montañosos son ondas de gravedad internas. También se considera que tales ondas juegan un papel destacado en el transporte vertical de energía y de momento, y a menudo se las asocia con la formación de turbulencia en aire sin nubes ("clean air turbulence", o bien CAT).

  Ondas topográficas

Cuando el aire se ve forzado a fluir sobre accidentes topográficos con una forma sinusoidal y bajo condiciones de estratificación estable, las parcelas de aire sufren alternativos desplazamientos hacia arriba y hacia abajo respecto a sus niveles de equilibrio. Es decir, cuando se desplazan sobre cadenas montañosas experimentan oscilaciones que son debidas a la flotabilidad, como se muestra en la figura. En este caso, se trata de unas ondas que permanecen estacionarias con relación al suelo. Las nubes con forma lenticular se forman en el seno de un flujo de aire sobre una región montañosa.