Nube de Mammatus

Patrón distintivo de bolsas en la parte inferior de algunas nubes.

Formación de nubes Mammatus en Coimbatore, India

Nubes Mammatus sobre el Himalaya de Nepal

Mammatus (también llamado mamma ^[1] o mammatocumulus , que significa "nube mamaria") es un patrón celular de bolsas que cuelgan debajo de la base de una nube , típicamente una nube de lluvia cumulonimbus , aunque pueden estar unidas a otras clases de nubes progenitoras. El nombre mammatus se deriva del latín mamma (que significa " ubre " o " pecho ").

Según el Atlas Internacional de Nubes de la OMM , la mamma es una característica complementaria de las nubes, no un género, especie o variedad de nubes. Las distintivas "grumosas" de la parte inferior se forman por el aire frío que desciende y forma bolsas, al contrario de las bocanadas de nubes que se elevan por la convección del aire cálido. Estas formaciones fueron descritas por primera vez en 1894 por William Clement Ley . ^{[1] [2] [3]}

Características

Nubes mamatus sobre un cumulonimbus capillatus

Los mammatus se asocian con mayor frecuencia a las nubes de yunque y también a las tormentas eléctricas severas. A menudo se extienden desde la base de una nube cumulonimbus , pero también se pueden encontrar bajo altostratos y cirros , así como nubes de ceniza volcánica. ^[4] Cuando se producen en cumulonimbus, los mammatus suelen ser indicativos de una tormenta particularmente fuerte. Debido al entorno intensamente cizallado en el que se forman los mammatus, se advierte encarecidamente a los aviadores que eviten los cumulonimbus con mammatus, ya que indican turbulencia inducida por convección. ^[5] Las estelas de condensación también pueden producir lóbulos, pero estos se denominan incorrectamente mammatus. ^[1]

Los lóbulos mamarios pueden aparecer como lóbulos lisos, irregulares o abultados y pueden ser opacos o translúcidos. Debido a que los lóbulos mamarios se presentan como una agrupación de lóbulos, la forma en que se agrupan puede variar desde un grupo aislado hasta un campo de mamas que se extienden por cientos de kilómetros o se organizan a lo largo de una línea, y pueden estar compuestos de lóbulos desiguales o de tamaño similar. El diámetro promedio de cada lóbulo mamario es de 1 a 3 kilómetros (0,6 a 1,9 millas) y la longitud promedio es de 1 ⁄ 2 kilómetro (0,3 millas). Un lóbulo puede durar un promedio de 10 minutos, pero un grupo completo de mamas puede variar de 15 minutos a algunas horas. Por lo general, están compuestos de hielo, pero también pueden ser una mezcla de hielo y agua líquida o estar compuestos casi en su totalidad de agua líquida.

Fieles a su siniestra apariencia, las nubes mammatus suelen ser precursoras de una tormenta inminente u otro sistema meteorológico extremo. Compuestas principalmente por hielo, pueden extenderse cientos de kilómetros en cada dirección y las formaciones individuales pueden permanecer visiblemente estáticas durante diez o quince minutos cada vez. Suelen aparecer antes, durante o incluso después de un fenómeno meteorológico severo.

Mecanismos de formación hipotéticos

Panorama de formaciones de nubes Mammatus en Swifts Creek, Victoria

Formación de nubes Mammatus iluminada al atardecer en Visakhapatnam, India

Varias bolsas de nubes mammatus vistas bajo el yunque cumulonimbus en Biñan , Laguna

La existencia de muchos tipos diferentes de nubes mammatus, cada una con propiedades distintas y que se producen en entornos distintos, ha dado lugar a múltiples hipótesis sobre su formación, que también son relevantes para otras formas de nubes. ^{[4] [6]}

Todos los mecanismos de formación propuestos para las nubes mammatus comparten una tendencia ambiental: gradientes pronunciados de temperatura, humedad y momento ( cizalladura del viento ) a lo largo del límite entre la nube yunque y el aire de la subnube, que influyen fuertemente en las interacciones que allí se dan. A continuación se presentan los mecanismos propuestos, cada uno de ellos descrito con sus deficiencias:

• El yunque de una nube cumulonimbus se hunde gradualmente a medida que se extiende desde su nube de origen. A medida que el aire desciende, se calienta. Sin embargo, el aire nublado se calentará más lentamente (a la tasa de gradiente adiabático húmedo ) que el aire seco debajo de las nubes (a la tasa de gradiente adiabático seco ). Debido al calentamiento diferencial, la capa de nubes y debajo de las nubes se desestabiliza y puede producirse un vuelco convectivo , lo que crea una base de nubes irregular. Los problemas con esta teoría son que hay observaciones de lóbulos de mammatus que no respaldan la presencia de un fuerte hundimiento en los lóbulos, y que es difícil separar los procesos de precipitación de hidrometeoros y hundimiento de la base de las nubes, lo que hace que no esté claro si se está produciendo alguno de estos procesos.
• El enfriamiento debido a la precipitación de hidrometeoros es un segundo mecanismo de formación propuesto. A medida que los hidrometeoros caen en el aire seco debajo de las nubes, el aire que contiene la precipitación se enfría debido a la evaporación o sublimación . Al ser ahora más frío que el aire ambiental e inestable, descienden hasta alcanzar un equilibrio estático, momento en el que una fuerza restauradora curva los bordes de la precipitación hacia arriba, creando la apariencia lobulada. Un problema con esta teoría es que las observaciones muestran que la evaporación de la base de las nubes no siempre produce mammatus. Este mecanismo podría ser responsable de la etapa más temprana del desarrollo, pero otros procesos (a saber, el proceso 1, arriba) pueden entrar en juego a medida que se forman y maduran los lóbulos.
• También puede haber desestabilización en la base de las nubes debido al derretimiento. Si la base de las nubes se encuentra cerca de la línea de congelación, entonces el enfriamiento en el aire inmediato causado por el derretimiento puede provocar un vuelco convectivo, tal como en los procesos anteriores. Sin embargo, este entorno de temperatura estricto no siempre está presente.
• Los procesos anteriores se basaban específicamente en la desestabilización de la capa subnubelar debido a efectos de calentamiento adiabático o latente . Si se descartan los efectos termodinámicos de la precipitación de hidrometeoros, otro mecanismo propone que la dinámica de la precipitación por sí sola es suficiente para crear los lóbulos. Las inhomogeneidades en las masas de los hidrometeoros a lo largo de la base de la nube pueden causar un descenso no homogéneo a lo largo de la base. El arrastre por fricción y las estructuras asociadas similares a remolinos crean la apariencia lobulada de la precipitación. La principal deficiencia de esta teoría es que se ha observado que las velocidades verticales en los lóbulos son mayores que las velocidades de caída de los hidrometeoros dentro de ellos; por lo tanto, también debería haber una fuerza descendente dinámica.
• Otro método, propuesto por primera vez por Kerry Emanuel , se denomina inestabilidad de arrastre de la base de las nubes (CDI), que actúa de forma muy similar al arrastre convectivo de la cima de las nubes . En la CDI, el aire nublado se mezcla con el aire seco de debajo de las nubes en lugar de precipitarse en él. La capa nublada se desestabiliza debido al enfriamiento por evaporación y se forman mammatus.
• Las nubes sufren una reorganización térmica debido a los efectos radiativos a medida que evolucionan. Hay un par de ideas sobre cómo la radiación puede causar la formación de mammatus. Una es que, debido a que las nubes se enfrían radiativamente ( ley de Stefan-Boltzmann ) de manera muy eficiente en sus partes superiores, bolsas enteras de nubes frías y con flotabilidad negativa pueden penetrar hacia abajo a través de toda la capa y emerger como mammatus en la base de la nube. Otra idea es que a medida que la base de la nube se calienta debido al calentamiento radiativo de la emisión de onda larga de la superficie terrestre, la base se desestabiliza y se da vuelta. Este método es válido solo para nubes ópticamente gruesas . Sin embargo, la naturaleza de las nubes yunque es que están formadas en gran parte por hielo y, por lo tanto, son relativamente delgadas ópticamente.
• Se ha propuesto que las ondas de gravedad son el mecanismo de formación de las nubes mammatus organizadas linealmente. De hecho, se han observado patrones de ondas en el entorno de las mammatus, pero esto se debe principalmente a la creación de ondas de gravedad como respuesta a una corriente ascendente convectiva que incide sobre la tropopausa y se extiende en forma de onda por todo el yunque. Por lo tanto, este método no explica la prevalencia de las nubes mammatus en una parte del yunque frente a otra. Además, las escalas de tiempo y tamaño de las ondas de gravedad y las mammatus no coinciden del todo. Los trenes de ondas de gravedad pueden ser responsables de organizar las mammatus en lugar de formarlas. ^[7]
• La inestabilidad de Kelvin-Helmholtz (K-H) es frecuente a lo largo de los límites de las nubes y da como resultado la formación de protuberancias en forma de onda (llamadas oleadas de Kelvin-Helmholtz) a partir de un límite de nubes. Los mammatus no tienen la forma de oleadas de KH, por lo que se propone que la inestabilidad puede desencadenar la formación de las protuberancias, pero que otro proceso debe formar las protuberancias en lóbulos. Aun así, la principal desventaja de esta teoría es que la inestabilidad de KH ocurre en un entorno estratificado estable , y el entorno de los mammatus suele ser al menos algo turbulento .
• La inestabilidad de Rayleigh-Taylor es el nombre que se le da a la inestabilidad que existe entre dos fluidos de diferente densidad, cuando el más denso de los dos se encuentra sobre el fluido menos denso. A lo largo de una interfaz entre la base de la nube y la subnube, el aire más denso, cargado de hidrometeoros, podría causar una mezcla con el aire menos denso de la subnube. Esta mezcla tomaría la forma de nubes mammatus. El problema físico con este método propuesto es que una inestabilidad existente a lo largo de una interfaz estática no necesariamente se puede aplicar a la interfaz entre dos flujos atmosféricos cizallados .
• El último mecanismo de formación propuesto es que las nubes mammatus surgen de la convección de Rayleigh-Bénard , donde el calentamiento diferencial (enfriamiento en la parte superior y calentamiento en la parte inferior) de una capa causa un vuelco convectivo. Sin embargo, en este caso de las nubes mammatus, la base se enfría por los mecanismos termodinámicos mencionados anteriormente. A medida que la base de la nube desciende, ocurre en la escala de los lóbulos de las nubes mammatus, mientras que junto a los lóbulos hay un ascenso compensatorio. Este método no ha demostrado ser sólido desde el punto de vista observacional y se considera, en general, insustancial.

Esta plenitud de mecanismos de formación propuestos demuestra, como mínimo, que la nube Mammatus es, en general, poco comprendida. ^{[1] [8]}

Referencias

1. Schultz, David M.; Hancock, Y. (2016). "¿Lóbulos de las estelas de condensación o mama? La importancia de una terminología correcta" (PDF) . Weather . 71 (8): 203. Bibcode :2016Wthr...71..203S. doi : 10.1002/wea.2765 .
2. Anónimo (1975). Atlas internacional de nubes. Volumen I. Manual sobre la observación de nubes y otros meteoros (PDF) . Organización Meteorológica Mundial. Archivado desde el original (PDF) el 8 de julio de 2017. Consultado el 13 de mayo de 2017 .
3. Ley, William Clement (1894). Cloudland: Un estudio sobre la estructura y las características de las nubes. Londres, Inglaterra: Edward Stanford. pp. 104–105.
4. Schultz, David M.; Kanak, Katharine M.; Straka, Jerry M.; Trapp, Robert J.; Gordon, Brent A.; Zrnić, Dusan S. ; Bryan, George H.; Durant, Adam J.; Garrett, Timothy J.; Klein, Petra M.; Lilly, Douglas K. (2006). "Los misterios de las nubes Mammatus: observaciones y mecanismos de formación". Revista de ciencias atmosféricas . 63 (10): 2409. Bibcode :2006JAtS...63.2409S. doi : 10.1175/JAS3758.1 . S2CID  53128552.
5. Lane, Todd P.; Sharman, Robert D.; Trier, Stanley B.; Fovell, Robert G.; Williams, John K. (2012). "Avances recientes en la comprensión de la turbulencia cercana a las nubes". Boletín de la Sociedad Meteorológica Americana . 93 (4): 499. Bibcode :2012BAMS...93..499L. doi : 10.1175/BAMS-D-11-00062.1 .
6. Garrett, Timothy J.; Schmidt, Clinton T.; Kihlgren, Stina; Cornet, Céline (2010). "Nubes Mammatus como respuesta al calentamiento radiativo de la base de las nubes". Revista de Ciencias Atmosféricas . 67 (12): 3891. Bibcode :2010JAtS...67.3891G. doi : 10.1175/2010JAS3513.1 . S2CID  54938314.
7. Winstead, Nathaniel S.; Verlinde, J.; Arthur, S. Tracy; Jaskiewicz, Francine; Jensen, Michael; Miles, Natasha; Nicosia, David (2001). "Observaciones de Mammatus con radar aéreo de alta resolución". Monthly Weather Review . 129 (1): 159–166. Código Bibliográfico :2001MWRv..129..159W. doi : 10.1175/1520-0493(2001)129<0159:HRAROO>2.0.CO;2 .
8. Kanak, Katharine M.; Straka, Jerry M.; Schultz, David M. (2008). "Simulación numérica de Mammatus". Revista de Ciencias Atmosféricas . 65 (5): 1606. Bibcode :2008JAtS...65.1606K. CiteSeerX 10.1.1.720.2477 . doi :10.1175/2007JAS2469.1. 

Enlaces externos

• Vídeo con lapso de tiempo sobre la formación de nubes Mammatus
• Nubes Mammatus sobre Hastings, Nebraska
• Nubes Mammatus con estructuras en forma de bolsa
• Imagen astronómica del día de la NASA: Nubes Mammatus sobre México (30 de diciembre de 2007)
• Nubes Mammatus sobre St Albans, Hertfordshire, Reino Unido, el 12 de agosto de 2008, en el sitio web de BBC News. 21 de agosto de 2008