Estudio experimental de la respuesta espacio-temporal de ondas gravitacionales en un flujo afectado débilmente por la rotación del medio

Abstract

Los procesos físicos y bioquímicos de lagos estratificados están fuertemente relacionados con la dinámica de las ondas gravitacionales superficiales e internas, las cuales son excitadas principalmente por la acción del viento en la superficie libre. Dependiendo del tamaño y de la latitud del cuerpo lacustre, la estructura espacio-temporal del campo de ondas gravitacionales puede comenzar a ser afectada por la rotación terrestre, posibilitando la existencia de dos clases de ondas de gravedad de gran escala, conocidas ampliamente como ondas de Kelvin y ondas de Poincaré. La dinámica de éstas ondas puede verse alterada por fenómenos no-lineales, permitiendo la formación de ondas con características no-lineales, tales como las ondas tipo solitarias. En el Laboratorio de Hidráulica Francisco J. Domínguez, ubicado en el Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile, se cuenta con un estanque cilíndrico montado sobre una mesa rotatoria con capacidad de inclinación, al interior de una cámara oscura. Allí se llevó a cabo un estudio experimental, con el objetivo de analizar la respuesta espacio-temporal de ondas gravitacionales - superficiales e internas - en un flujo afectado débilmente por la rotación del medio. Para ello, se realizaron 54 experimentos barotrópicos de una capa, donde se varió tanto la rotación como la inclinación inicial del sistema, y 3 experimentos baroclínicos de dos capas, donde se varió la rotación del medio y se delimitó superiormente el flujo con una tapa rígida. El campo de ondas de gravedad es excitado mediante la liberación de una inclinación lineal (diametral) inicial de las interfaces agua-aire y de densidad, respectivamente. La condición inicial induce ondas del tipo Kelvin y Poincaré, en respuesta al gradiente de presión horizontal inicial y a la rotación del medio, excitando todos los modos radiales del sistema y el modo azimutal fundamental. La evolución temporal de la perturbación de las interfaces se ha registrado con un CCD a lo largo del plano diametral inicialmente forzado, mediante la utilización del método óptico de fluorescencia inducida por láser (LIF). Adicionalmente, para los experimentos barotrópicos, la evolución temporal de la perturbación interfacial se registró en el borde mediante un sensor tipo capacitivo. El acoplamiento de ambos métodos permite caracterizar espacialmente el campo de ondas de gravedad. Resultados obtenidos del espectro de densidad potencial (PSD) y de la transformada de wavelet (WT) evidencian distintos comportamientos dinámicos del campo de ondas gravitacionales en función del espacio, la rotación y la perturbación inicial. Los resultados dan cuenta de una transferencia de energía, en el espectro gravitacional, desde los modos fundamentales de baja frecuencia, a sub-modos radiales y azimutales de alta frecuencia. La estructura de la cascada de energía está influenciada por la rotación y el régimen dinámico de las ondas de gran escala.