Transporte de material particulado por eventos extremos en la atmósfera nocturna y los océanos

• Autores: Reartes, Christian de Jesús
• Año de publicación: 2025
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Mininni, Pablo Daniel
• Materia: TRANSPORTE; FLUJOS GEOFISICOS; TURBULENCIA; SIMULACIONES NUMERICAS DIRECTAS; EVENTOS EXTREMOS; TRANSPORT; GEOPHYSICAL FLOWS; TURBULENCE; DIRECT NUMERICAL SIMULATIONS; EXTREME EVENTS
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

En esta tesis se estudia el transporte de partículas en flujos turbulentos establemente estratificados (SST), centrándose tanto en la dinámica como en el agrupamiento preferencial y en el efecto de eventos extremos sobre estos procesos. La turbulencia es un fenómeno común en flujos geofísicos como la atmósfera y los océanos, donde la estratificación reduce el transporte vertical y da lugar a anisotropías en el flujo. La interacción entre la turbulencia y la estratificación permite el desarrollo de ondas internas de gravedad, que modifican la dinámica del transporte de partículas. Aunque la turbulencia isótropa y homogénea (HIT) ha sido ampliamente estudiada, en flujos estratificados la interacción entre partículas y turbulencia es aún poco comprendida, especialmente en presencia de eventos extremos que provocan comportamientos fuera de lo común en el flujo y en la distribución de partículas. Esta investigación aborda la dinámica de partículas inerciales livianas neutralmente flotantes en SST, considerando escalas pequeñas e intermedias relevantes para la atmósfera nocturna y el océano. Sin embargo, también se estudió el problema de sedimentación de partículas livianas en flujos HIT. En estos sistemas, las partículas bajo ciertas condiciones tienden a formar columnas de sedimentación, estructuras que guían y concentran el flujo de caída de las partículas. Estas columnas afectan el comportamiento del transporte, reduciendo el mezclado lateral y potenciando un transporte vertical ordenado, lo que puede modificar significativamente los patrones de dispersión en el flujo. Para el análisis numérico de la dinámica de partículas en SST y HIT, se em- plearon simulaciones numéricas directas (DNS) basadas en las ecuaciones de Boussinesq y Navier-Stokes respectivamente. En el primer caso, esta ecuaciones permiten modelar flujos SST y capturar la interacción entre la turbulencia y la fuerza de empuje, que estabiliza el sistema y facilita la formación de ondas internas de gravedad. A diferencia de HIT, caracterizada por un comportamiento isotrópo en todas las direcciones, la SST presenta anisotropía con velocidades verticales moduladas por las ondas y velocidades horizontales de mayor intensidad, lo que influye en la dinámica de dispersión de partículas. Las simulaciones numéricas incluyeron la inyección de un gran número de partículas inerciales y Lagrangianas para analizar su transporte tanto en SST como en HIT. En SST, las partículas exhiben patrones de transporte vertical y horizontal diferenciados, donde el transporte horizontal puede estar influido por estructuras como vientos horizontales con cizalladura vertical, que tienden a mejorar la dispersión en esa dirección. En el contexto de transporte de aerosoles, nutrientes y partículas biológicas, los resultados permiten inferir implicancias para procesos atmosféricos y oceánicos, como la formación de nubes y el transporte de plancton. Además, el trabajo realiza una comparación entre los patrones de acumulación de partículas en SST y en HIT, contribuyendo a un mejor entendimiento de los mecanismos de transporte y mezclado en diferentes regímenes de flujo. Esta tesis presenta modelos mejorados para el transporte de partículas inerciales en flujos estratificados, abriendo nuevas posibilidades para el modelado de transporte en flujos atmosféricos y oceánicos. Los resultados aportan herramientas para mejorar la parametrización del transporte de material particulado en aplicaciones geofísicas y ambientales, ampliando nuestro conocimiento sobre el papel de la turbulencia y de la estratificación en la dispersión y el agrupamiento de partículas en la atmósfera y en los océanos.
This thesis studies the transport of particles in stably stratified turbulent flows (SST), focusing on both their dynamics and preferential clustering, as well as the effect of extreme events on these processes. Turbulence is a common phenomenon in geophysical flows such as the atmosphere and the oceans, where stratification reduces vertical transport and introduces anisotropies in the flow. The interaction between turbulence and stratification enables the development of internal gravity waves, which modify the dynamics of particle transport. Although isotropic and homogeneous turbulence (HIT) has been extensively studied, the interaction between particles and turbulence in stratified flows remains less understood, especially in the presence of extreme events that lead to unusual behaviors in both the flow and the particle distribution. This research addresses the dynamics of neutrally buoyant, light inertial particles in SST, considering small and intermediate scales relevant to the nocturnal atmosphere and the ocean. However, the sedimentation of light particles in isotropic and homogeneous turbulent flows (HIT) was also studied. In these systems, under certain conditions, particles tend to form sedimentation columnsstructures that guide and concentrate the downward flow of particles. These columns impact transport behavior by reducing lateral mixing and enhancing organized vertical transport, which can significantly modify dispersion patterns in the flow. For the numerical analysis of particle dynamics in SST and HIT, direct numerical simulations (DNS) were performed using the Boussinesq and Navier-Stokes equations, respectively. In the case of SST, these equations enable modeling of stratified flows and capture the interaction between turbulence and the stabilizing buoyancy force, which facilitates the formation of internal gravity waves. Unlike HIT, which is characterized by isotropic behavior in all directions, SST exhibits anisotropy with vertical velocities modulated by waves and more intense horizontal velocities, which influence particle dispersion dynamics. The numerical simulations included injecting a large number of inertial and Lagrangian particles to analyze their transport in both SST and HIT. In SST, particles exhibit distinct vertical and horizontal transport patterns, with horizontal transport potentially influenced by structures such as vertically sheared horizontal winds (VHCVs), which can enhance dispersion in that direction. In the context of aerosol, nutrient, and biological particle transport, the results provide insights into atmospheric and oceanic processes such as cloud formation and plankton transport. Additionally, this work compares particle accumulation patterns in SST and HIT, contributing to a better understanding of transport and mixing mechanisms in different flow regimes. This thesis presents improved models for the transport of inertial particles in stratified flows, opening new possibilities for modeling transport in atmospheric and oceanic flows. The results provide tools to improve the parameterization of particulate matter transport in geophysical and environmental applications, expanding our understanding of the role of turbulence and stratification in particle dispersion and clustering in the atmosphere and the oceans.
Fil: Reartes, Christian de Jesús. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.