El proceso Wegener-Bergeron-Findeisen (en honor a Alfred Wegener , Tor Bergeron y Walter Findeisen ), (o "proceso de lluvia fría") es un proceso de crecimiento de cristales de hielo que ocurre en nubes de fase mixta (que contienen una mezcla de agua superenfriada y hielo) en regiones donde la presión de vapor ambiental cae entre la presión de vapor de saturación sobre el agua y la presión de vapor de saturación más baja sobre el hielo. Este es un entorno subsaturado para el agua líquida, pero un entorno sobresaturado para el hielo, lo que resulta en una rápida evaporación del agua líquida y un rápido crecimiento de los cristales de hielo a través de la deposición de vapor . Si la densidad numérica del hielo es pequeña en comparación con el agua líquida, los cristales de hielo pueden crecer lo suficiente como para caer de la nube, derritiéndose en gotas de lluvia si las temperaturas de nivel inferior son lo suficientemente cálidas.
El proceso de Bergeron, si es que ocurre, es mucho más eficiente en la producción de partículas grandes que el crecimiento de gotas más grandes a expensas de las más pequeñas, ya que la diferencia en la presión de saturación entre el agua líquida y el hielo es mayor que el aumento de la presión de saturación en las gotas pequeñas (para gotas lo suficientemente grandes como para contribuir considerablemente a la masa total). Para otros procesos que afectan el tamaño de las partículas, consulte física de la lluvia y las nubes .
El principio del crecimiento del hielo a través de la deposición de vapor sobre los cristales de hielo a expensas del agua fue teorizado por primera vez por el científico alemán Alfred Wegener en 1911 mientras estudiaba la formación de escarcha . Wegener teorizó que si este proceso ocurría en las nubes y los cristales crecían lo suficiente como para caer, podría ser un mecanismo de precipitación viable. Si bien su trabajo con el crecimiento de los cristales de hielo atrajo cierta atención, pasarían otros diez años antes de que se reconociera su aplicación a la precipitación. [1]
En el invierno de 1922, Tor Bergeron hizo una curiosa observación mientras caminaba por el bosque. Se dio cuenta de que en los días en que la temperatura estaba por debajo del punto de congelación, la capa de estratos que normalmente cubría la ladera terminaba en la parte superior del dosel en lugar de extenderse hasta el suelo como sucedía en los días en que la temperatura estaba por encima del punto de congelación. Al estar familiarizado con el trabajo anterior de Wegener, Bergeron teorizó que los cristales de hielo en las ramas de los árboles estaban absorbiendo vapor de la nube de estratos superenfriada, impidiendo que llegara al suelo.
En 1933, Bergeron fue seleccionado para asistir a la reunión de la Unión Internacional de Geodesia y Geofísica en Lisboa, Portugal, donde presentó su teoría de los cristales de hielo. En su artículo, afirmó que si la población de cristales de hielo era significativamente pequeña en comparación con las gotas de agua líquida, los cristales de hielo podrían crecer lo suficiente como para caerse (la hipótesis original de Wegener). Bergeron teorizó que este proceso podría ser responsable de toda la lluvia, incluso en climas tropicales; una afirmación que provocó bastante desacuerdo entre los científicos tropicales y de latitudes medias. A fines de la década de 1930, el meteorólogo alemán Walter Findeisen amplió y refinó el trabajo de Bergeron a través de trabajo tanto teórico como experimental.
La condición de que el número de gotitas sea mucho mayor que el número de cristales de hielo depende de la fracción de núcleos de condensación de nubes que posteriormente (en la parte superior de la nube) actuarían como núcleos de hielo . Alternativamente, una corriente ascendente adiabática tiene que ser lo suficientemente rápida como para que una alta sobresaturación provoque la nucleación espontánea de muchas más gotitas que núcleos de condensación de nubes presentes. En cualquier caso, esto debería suceder no muy por debajo del punto de congelación, ya que esto causaría la nucleación directa del hielo. El crecimiento de las gotitas evitaría que la temperatura alcance pronto el punto de nucleación rápida de los cristales de hielo .
La mayor sobresaturación con respecto al hielo, una vez presente, hace que crezca rápidamente, eliminando así el agua de la fase de vapor. Si la presión de vapor cae por debajo de la presión de saturación con respecto al agua líquida , las gotitas dejarán de crecer. Esto puede no ocurrir si la caída es rápida, dependiendo de la pendiente de la curva de saturación, la tasa de gradiente y la velocidad de la corriente ascendente, o si la caída es lenta, dependiendo de la cantidad y el tamaño de los cristales de hielo. Si la corriente ascendente es demasiado rápida, todas las gotitas terminarían congelándose en lugar de evaporarse.
En una corriente descendente se encuentra un límite similar. El agua líquida se evapora, lo que hace que la presión de vapor aumente, pero si la presión de saturación con respecto al hielo aumenta demasiado rápido en la corriente descendente, todo el hielo se derretiría antes de que se formaran grandes cristales de hielo.
Korolev y Mazin [2] derivaron expresiones para la velocidad crítica de corriente ascendente y descendente:
donde η y χ son coeficientes que dependen de la temperatura y la presión, y son las densidades numéricas de partículas de hielo y líquido (respectivamente), y y son el radio medio de partículas de hielo y líquido (respectivamente).
Para valores típicos de nubes, varía de unos pocos cm/s a unos pocos m/s. Estas velocidades pueden producirse fácilmente por convección, olas o turbulencia, lo que indica que no es raro que tanto el agua líquida como el hielo crezcan simultáneamente. En comparación, para valores típicos de , se requieren velocidades de corriente descendente superiores a unos pocos para que tanto el líquido como el hielo se encojan simultáneamente. [3] Estas velocidades son comunes en corrientes descendentes convectivas, pero no son típicas de las nubes estratos.
La forma más común de formar un cristal de hielo comienza con un núcleo de hielo en la nube. Los cristales de hielo pueden formarse por deposición heterogénea , contacto, inmersión o congelación después de la condensación. En la deposición heterogénea, un núcleo de hielo simplemente se recubre con agua. Para el contacto, los núcleos de hielo chocarán con gotas de agua que se congelarán al impactar. En la congelación por inmersión, todo el núcleo de hielo está cubierto de agua líquida. [4]
El agua se congelará a diferentes temperaturas según el tipo de núcleos de hielo presentes. Los núcleos de hielo hacen que el agua se congele a temperaturas más altas de las que lo haría espontáneamente. Para que el agua pura se congele espontáneamente, lo que se denomina nucleación homogénea , las temperaturas de las nubes tendrían que ser de -35 °C (-31 °F). [5] A continuación se muestran algunos ejemplos de núcleos de hielo:
A medida que los cristales de hielo crecen, pueden chocar entre sí y astillarse y fracturarse, lo que da lugar a muchos nuevos cristales de hielo. Hay muchas formas de cristales de hielo que pueden chocar entre sí. Estas formas incluyen hexágonos, cubos, columnas y dendritas. Los físicos y químicos atmosféricos denominan a este proceso "mejora del hielo". [6]
El proceso por el cual los cristales de hielo se adhieren entre sí se denomina agregación. Esto ocurre cuando los cristales de hielo se vuelven resbaladizos o pegajosos a temperaturas de -5 °C (23 °F) o más, debido a una capa de agua que los rodea. Los cristales de hielo de diferentes tamaños y formas caen a distintas velocidades terminales y, por lo general, chocan y se adhieren.
Cuando un cristal de hielo choca con gotitas de agua superenfriada, se produce un fenómeno de acreción (o formación de escarcha). Las gotitas se congelan al impactar y pueden formar granizo . Si el granizo formado es reintroducido en la nube por el viento, puede seguir creciendo y haciéndose más denso, hasta llegar a formar granizo . [6]
Con el tiempo, este cristal de hielo crecerá lo suficiente como para caer. Incluso puede colisionar con otros cristales de hielo y crecer aún más por colisión , coalescencia , agregación o acreción.
El proceso de Bergeron suele dar lugar a precipitaciones. A medida que los cristales crecen y caen, pasan a través de la base de la nube, que puede estar por encima del punto de congelación. Esto hace que los cristales se derritan y caigan en forma de lluvia. También puede haber una capa de aire por debajo del punto de congelación debajo de la base de la nube, lo que hace que la precipitación se vuelva a congelar en forma de bolitas de hielo . De manera similar, la capa de aire por debajo del punto de congelación puede estar en la superficie, lo que hace que la precipitación caiga en forma de lluvia helada . El proceso también puede dar lugar a que no haya precipitaciones, evaporándose antes de llegar al suelo, en el caso de la formación de virga .
