Física de la nube

Aire de refrigeración a su punto de rocíoeditar

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Evolución de la nube en menos de un minuto.

a Finales de verano, tormenta de lluvia en Dinamarca. El color casi negro de la base indica nube principal en primer plano probablemente cumulonimbos.

Enfriamiento adiabático: paquetes ascendentes de airEdit húmedo

A medida que el agua se evapora de un área de la superficie de la Tierra, el aire sobre esa área se humedece. El aire húmedo es más ligero que el aire seco circundante, creando una situación inestable. Cuando se ha acumulado suficiente aire húmedo, todo el aire húmedo se eleva como un solo paquete, sin mezclarse con el aire circundante. A medida que se forma más aire húmedo a lo largo de la superficie, el proceso se repite, lo que resulta en una serie de paquetes discretos de aire húmedo que se elevan para formar nubes.

Este proceso ocurre cuando uno o más de tres agentes de elevación posibles-ciclónico / frontal, convectivo u orográfico—hace que el aire que contiene vapor de agua invisible se eleve y se enfríe hasta su punto de rocío, la temperatura a la que el aire se satura. El mecanismo principal detrás de este proceso es el enfriamiento adiabático. La presión atmosférica disminuye con la altitud, por lo que el aire ascendente se expande en un proceso que gasta energía y hace que el aire se enfríe, lo que hace que el vapor de agua se condense en nubes. El vapor de agua en el aire saturado normalmente es atraído por los núcleos de condensación, como el polvo y las partículas de sal, que son lo suficientemente pequeñas como para mantenerse en alto por la circulación normal del aire. Las gotas de agua en una nube tienen un radio normal de aproximadamente 0,002 mm (0,00008 pulgadas). Las gotitas pueden chocar para formar gotitas más grandes, que permanecen en el aire mientras la velocidad del aire ascendente dentro de la nube sea igual o mayor que la velocidad terminal de las gotitas.

Para nubes no convectivas, la altitud a la que comienza a producirse la condensación se denomina nivel de condensación elevada (LCL), que determina aproximadamente la altura de la base de la nube. Las nubes convectivas libres generalmente se forman a la altitud del nivel de condensación convectiva (CCL). El vapor de agua en el aire saturado normalmente es atraído por los núcleos de condensación, como las partículas de sal, que son lo suficientemente pequeñas como para mantenerse en alto por la circulación normal del aire. Si el proceso de condensación ocurre por debajo del nivel de congelación en la troposfera, los núcleos ayudan a transformar el vapor en gotas de agua muy pequeñas. Las nubes que se forman justo por encima del nivel de congelación se componen principalmente de gotas de líquido sobreenfriado, mientras que las que se condensan a altitudes más altas donde el aire es mucho más frío generalmente toman la forma de cristales de hielo. Una ausencia de partículas de condensación suficientes en y por encima del nivel de condensación hace que el aire ascendente se sobresature y la formación de nubes tiende a inhibirse.

Vida frontal y ciclóniditar

La elevación frontal y ciclónica se produce en sus manifestaciones más puras cuando el aire estable, que ha sido sometido a poco o ningún calentamiento de la superficie, se fuerza en alto en frentes climáticos y alrededor de centros de baja presión. Los frentes cálidos asociados con ciclones extratropicales tienden a generar principalmente nubes cirriformes y estratiformes sobre un área amplia, a menos que la masa de aire caliente que se aproxima sea inestable, en cuyo caso las nubes cumulus congestus o cumulonimbus generalmente estarán incrustadas en la capa de nubes precipitantes principales. Los frentes fríos generalmente se mueven más rápido y generan una línea más estrecha de nubes que son en su mayoría estratocumuliformes, cumuliformes o cumulonimbiformes, dependiendo de la estabilidad de la masa de aire caliente justo por delante del frente.

Vida convectivaeditar

Otro agente es el movimiento ascendente convectivo flotante causado por un calentamiento solar diurno significativo a nivel de superficie, o por una humedad absoluta relativamente alta. La radiación de onda corta entrante generada por el sol se vuelve a emitir como radiación de onda larga cuando llega a la superficie de la Tierra. Este proceso calienta el aire más cercano al suelo y aumenta la inestabilidad de la masa de aire al crear un gradiente de temperatura más pronunciado, desde cálido o caliente a nivel de superficie hasta frío en lo alto. Esto hace que suba y se enfríe hasta que se logre el equilibrio de temperatura con el aire circundante en lo alto. La inestabilidad moderada permite la formación de nubes cumuliformes de tamaño moderado que pueden producir lluvias ligeras si la masa de aire está lo suficientemente húmeda. Las corrientes ascendentes de convección típicas pueden permitir que las gotas crezcan hasta un radio de aproximadamente 0,015 milímetros (0,0006 pulgadas) antes de precipitarse en forma de lluvia. El diámetro equivalente de estas gotas es de aproximadamente 0,03 milímetros (0,001 pulgadas).

Si el aire cerca de la superficie se vuelve extremadamente cálido e inestable, su movimiento ascendente puede volverse bastante explosivo, lo que resulta en nubes cumulonimbiformes elevadas que pueden causar clima severo. A medida que las diminutas partículas de agua que componen la nube se agrupan para formar gotas de lluvia, son arrastradas a la tierra por la fuerza de la gravedad. Las gotas normalmente se evaporarían por debajo del nivel de condensación, pero las fuertes corrientes ascendentes amortiguan las gotas que caen, y pueden mantenerlas en alto mucho más tiempo de lo que lo harían de otra manera. Las corrientes ascendentes violentas pueden alcanzar velocidades de hasta 180 millas por hora (290 km/h). Cuanto más tiempo permanezcan las gotas de lluvia en el aire, más tiempo tendrán que crecer hasta convertirse en gotas más grandes que eventualmente caerán en forma de fuertes lluvias.

Las gotas de lluvia que se transportan muy por encima del nivel de congelación se enfrían al principio y luego se congelan en granizo pequeño. Un núcleo de hielo congelado puede recoger 0,5 pulgadas (1,3 cm) de tamaño viajando a través de una de estas corrientes ascendentes y puede recorrer varias corrientes ascendentes y descendentes antes de finalmente volverse tan pesado que cae al suelo como granizo grande. Cortar una piedra de granizo por la mitad muestra capas de hielo similares a cebollas, lo que indica momentos distintos en los que pasó a través de una capa de agua súper enfriada. Se han encontrado granizos con diámetros de hasta 7 pulgadas (18 cm).

La elevación convectiva puede ocurrir en una masa de aire inestable bien alejada de cualquier frente. Sin embargo, aire inestable muy cálido también puede estar presente alrededor de frentes y centros de baja presión, a menudo produciendo nubes cumuliformes y cumulonimbiformes en concentraciones más pesadas y activas debido a la combinación de agentes elevadores frontales y convectivos. Al igual que con la elevación convectiva no frontal, el aumento de la inestabilidad promueve el crecimiento de nubes verticales hacia arriba y aumenta el potencial de clima severo. En ocasiones comparativamente raras, la elevación convectiva puede ser lo suficientemente potente como para penetrar en la tropopausa y empujar la parte superior de la nube hacia la estratosfera.

liftEdit orográfico

Una tercera fuente de elevador es la circulación del viento que fuerza el aire sobre una barrera física como una montaña (elevador orográfico). Si el aire es generalmente estable, nada más que nubes lenticulares se formarán. Sin embargo, si el aire se vuelve lo suficientemente húmedo e inestable, pueden aparecer lluvias orográficas o tormentas eléctricas.

El crepúsculo ventoso de la tarde realzado por el ángulo del Sol, puede imitar visualmente un tornado resultante de una elevación orográfica

Enfriamiento no adiabáticoeditar

Junto con el enfriamiento adiabático que requiere un agente de elevación, hay otros tres mecanismos principales para bajar la temperatura del aire a su punto de rocío, todos los cuales ocurren cerca del nivel de la superficie y no requieren ningún levantamiento del aire. El enfriamiento conductivo, radiacional y evaporativo puede causar condensación a nivel de superficie, lo que resulta en la formación de niebla. El enfriamiento conductivo se produce cuando el aire de un área de origen relativamente suave entra en contacto con una superficie más fría, como cuando el aire marino suave se mueve a través de un área terrestre más fría. El enfriamiento radiacional se produce debido a la emisión de radiación infrarroja, ya sea por el aire o por la superficie debajo. Este tipo de enfriamiento es común durante la noche, cuando el cielo está despejado. El enfriamiento por evaporación ocurre cuando la humedad se agrega al aire a través de la evaporación, lo que obliga a que la temperatura del aire se enfríe a su temperatura de bulbo húmedo, o a veces hasta el punto de saturación.

Agregar humedad al airEdit

Hay cinco formas principales de agregar vapor de agua al aire. El aumento del contenido de vapor puede resultar de la convergencia del viento sobre el agua o el suelo húmedo en áreas de movimiento ascendente. La precipitación o la caída de virga desde arriba también aumenta el contenido de humedad. El calentamiento diurno hace que el agua se evapore de la superficie de los océanos, cuerpos de agua o tierras húmedas. La transpiración de las plantas es otra fuente típica de vapor de agua. Por último, el aire fresco o seco que se mueve sobre agua más caliente se volverá más húmedo. Al igual que con el calentamiento diurno, la adición de humedad al aire aumenta su contenido de calor e inestabilidad y ayuda a poner en movimiento aquellos procesos que conducen a la formación de nubes o niebla.

Supersaturacióneditar

La cantidad de agua que puede existir como vapor en un volumen dado aumenta con la temperatura. Cuando la cantidad de vapor de agua está en equilibrio por encima de una superficie plana de agua, el nivel de presión de vapor se llama saturación y la humedad relativa es del 100%. En este equilibrio, hay un número igual de moléculas que se evaporan del agua a medida que se condensan de nuevo en el agua. Si la humedad relativa es superior al 100%, se denomina sobresaturada. La sobresaturación ocurre en ausencia de núcleos de condensación.

Dado que la presión de vapor de saturación es proporcional a la temperatura, el aire frío tiene un punto de saturación más bajo que el aire caliente. La diferencia entre estos valores es la base para la formación de nubes. Cuando el aire saturado se enfría, ya no puede contener la misma cantidad de vapor de agua. Si las condiciones son las adecuadas, el exceso de agua se condensará fuera del aire hasta que se alcance el punto de saturación más bajo. Otra posibilidad es que el agua permanezca en forma de vapor, aunque esté más allá del punto de saturación, lo que resulta en sobresaturación.

La supersaturación de más del 1-2% en relación con el agua rara vez se ve en la atmósfera, ya que los núcleos de condensación de nubes generalmente están presentes. Grados mucho más altos de sobresaturación son posibles en aire limpio, y son la base de la cámara de nubes.

No hay instrumentos para tomar medidas de sobresaturación en nubes.

Superenfriadoreditar

Las gotas de agua generalmente permanecen como agua líquida y no se congelan, incluso muy por debajo de 0 °C (32 °F). Los núcleos de hielo que pueden estar presentes en una gotita atmosférica se activan para la formación de hielo a temperaturas específicas entre 0 °C (32 °F) y -38 °C (-36 °F), dependiendo de la geometría y composición del núcleo. Sin núcleos de hielo, las gotas de agua sobreenfriadas (así como cualquier agua líquida extremadamente pura) pueden existir hasta aproximadamente -38 °C (-36 °F), momento en el que se produce una congelación espontánea.

Coalescenciaeditar

Una teoría que explica cómo el comportamiento de las gotas individuales en una nube conduce a la formación de precipitación es el proceso de coalescencia de colisión. Las gotitas suspendidas en el aire interactuarán entre sí, ya sea chocando y rebotando entre sí o combinándose para formar una gotita más grande. Con el tiempo, las gotitas se vuelven lo suficientemente grandes como para caer a la tierra como precipitación. El proceso de colisión-coalescencia no constituye una parte significativa de la formación de nubes, ya que las gotas de agua tienen una tensión superficial relativamente alta. Además, la aparición de coalescencia por colisión está estrechamente relacionada con los procesos de mezcla por arrastre.

Bergeron Processeditar

El mecanismo principal para la formación de nubes de hielo fue descubierto por Tor Bergeron. El proceso Bergeron señala que la presión de vapor de saturación del agua, o la cantidad de vapor de agua que puede contener un volumen dado, depende de con qué interactúa el vapor. Específicamente, la presión de vapor de saturación con respecto al hielo es menor que la presión de vapor de saturación con respecto al agua. El vapor de agua que interactúa con una gota de agua puede estar saturado, al 100% de humedad relativa, cuando interactúa con una gota de agua, pero la misma cantidad de vapor de agua se sobresaturaría cuando interactúa con una partícula de hielo. El vapor de agua intentará volver al equilibrio, por lo que el vapor de agua adicional se condensará en hielo en la superficie de la partícula. Estas partículas de hielo terminan siendo los núcleos de cristales de hielo más grandes. Este proceso solo ocurre a temperaturas entre 0 ° C (32 °F) y -40 °C (-40 °F). Por debajo de -40 °C (-40 °F), el agua líquida se nuclea espontáneamente y se congela. La tensión superficial del agua permite que la gota permanezca líquida muy por debajo de su punto de congelación normal. Cuando esto sucede, ahora es agua líquida sobreenfriada. El proceso Bergeron se basa en agua líquida súper enfriada (SLW) que interactúa con núcleos de hielo para formar partículas más grandes. Si hay pocos núcleos de hielo en comparación con la cantidad de SLW, las gotitas no podrán formarse. Un proceso por el cual los científicos siembran una nube con núcleos de hielo artificial para fomentar la precipitación se conoce como siembra de nubes. Esto puede ayudar a causar precipitación en nubes que de otro modo podrían no llover. La siembra de nubes agrega un exceso de núcleos de hielo artificial que cambia el equilibrio para que haya muchos núcleos en comparación con la cantidad de agua líquida súper enfriada. Una nube sobre sembrada formará muchas partículas, pero cada una será muy pequeña. Esto se puede hacer como medida preventiva para áreas que están en riesgo de tormentas de granizo.