La física de las nubes es el estudio de los procesos físicos que conducen a la formación, crecimiento y precipitación de las nubes atmosféricas. Estos aerosoles se encuentran en la troposfera , la estratosfera y la mesosfera , que en conjunto constituyen la mayor parte de la homosfera . Las nubes consisten en gotitas microscópicas de agua líquida (nubes cálidas), diminutos cristales de hielo (nubes frías) o ambos (nubes de fase mixta), junto con partículas microscópicas de polvo, humo u otra materia, conocidas como núcleos de condensación. [1] Las gotitas de las nubes se forman inicialmente por la condensación de vapor de agua sobre núcleos de condensación cuando la sobresaturación del aire excede un valor crítico según la teoría de Köhler . Los núcleos de condensación de las nubes son necesarios para la formación de gotitas de nubes debido al efecto Kelvin , que describe el cambio en la presión de vapor de saturación debido a una superficie curva. En radios pequeños, la cantidad de sobresaturación necesaria para que se produzca la condensación es tan grande que no ocurre de forma natural. La ley de Raoult describe cómo la presión de vapor depende de la cantidad de soluto en una solución. En concentraciones altas, cuando las gotitas de la nube son pequeñas, la sobresaturación requerida es menor que sin la presencia de un núcleo.
En las nubes cálidas, las gotas de mayor tamaño caen a una velocidad terminal más alta, porque a una velocidad dada, la fuerza de arrastre por unidad de peso de gota en las gotas más pequeñas es mayor que en las gotas grandes. Las gotas grandes pueden entonces colisionar con gotas pequeñas y combinarse para formar gotas aún más grandes. Cuando las gotas se vuelven lo suficientemente grandes como para que su velocidad descendente (en relación con el aire circundante) sea mayor que la velocidad ascendente (en relación con el suelo) del aire circundante, las gotas pueden caer como precipitación . La colisión y la coalescencia no son tan importantes en las nubes de fase mixta donde domina el proceso de Bergeron . Otros procesos importantes que forman la precipitación son el encrespamiento , cuando una gota de líquido superenfriado choca con un copo de nieve sólido, y la agregación, cuando dos copos de nieve sólidos chocan y se combinan. La mecánica precisa de cómo se forma y crece una nube no se entiende completamente, pero los científicos han desarrollado teorías que explican la estructura de las nubes mediante el estudio de la microfísica de las gotas individuales. Los avances en la tecnología de radares meteorológicos y satélites también han permitido el estudio preciso de las nubes a gran escala.
La física moderna de las nubes comenzó en el siglo XIX y se describió en varias publicaciones. [2] [3] [4] Otto von Guericke fue el creador de la idea de que las nubes estaban compuestas por burbujas de agua. En 1847, Augustus Waller utilizó una telaraña para examinar gotitas bajo el microscopio. [5] Estas observaciones fueron confirmadas por William Henry Dines en 1880 y Richard Assmann en 1884.
A medida que el agua se evapora de una zona de la superficie de la Tierra, el aire que la cubre se vuelve húmedo. El aire húmedo es más ligero que el aire seco circundante, lo que crea una situación inestable. Cuando se ha acumulado suficiente aire húmedo, todo el aire húmedo asciende 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 da como resultado una serie de paquetes discretos de aire húmedo que ascienden para formar nubes. [6]
Este proceso ocurre cuando uno o más de tres posibles agentes de elevación (ciclónico/frontal, convectivo u orográfico ) hacen 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 principal mecanismo detrás de este proceso es el enfriamiento adiabático . [7] 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. [8] El vapor de agua en el aire saturado normalmente es atraído por núcleos de condensación, como partículas de polvo y sal , que son lo suficientemente pequeñas como para mantenerse en el aire mediante 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 gotas pueden colisionar para formar gotas 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 gotas. [9]
En el caso de las nubes no convectivas, la altitud a la que comienza a producirse la condensación se denomina nivel de condensación elevado (LCL), que determina aproximadamente la altura de la base de la nube. Las nubes convectivas libres se forman generalmente 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 el aire mediante la circulación normal del aire. Si el proceso de condensación se produce por debajo del nivel de congelación en la troposfera, los núcleos ayudan a transformar el vapor en gotitas de agua muy pequeñas. Las nubes que se forman justo por encima del nivel de congelación están compuestas principalmente de gotitas de líquido superenfriadas, mientras que las que se condensan a altitudes superiores donde el aire es mucho más frío generalmente toman la forma de cristales de hielo . La ausencia de suficientes partículas de condensación en el nivel de condensación y por encima de él hace que el aire ascendente se sobresature y la formación de nubes tiende a inhibirse. [10]
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 superficial, es forzado a elevarse en frentes meteorológicos y alrededor de centros de baja presión . [11] 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 cálido que se aproxima sea inestable, en cuyo caso las nubes cumulus congestus o cumulonimbus generalmente estarán incrustadas en la capa principal de nubes precipitantes. [12] Los frentes fríos generalmente se mueven más rápido y generan una línea más estrecha de nubes que son principalmente estratocumuliformes, cumuliformes o cumulonimbiformes dependiendo de la estabilidad de la masa de aire cálido justo delante del frente. [13]
Otro agente es el movimiento ascendente convectivo boyante causado por el calentamiento solar diurno significativo a nivel de la superficie, o por una humedad absoluta relativamente alta. [10] La radiación de onda corta entrante generada por el sol se reemite como radiación de onda larga cuando alcanza 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 la superficie hasta frío en las alturas. Esto hace que se eleve y se enfríe hasta que se alcanza el equilibrio de temperatura con el aire circundante en las alturas. La inestabilidad moderada permite la formación de nubes cumuliformes de tamaño moderado que pueden producir lluvias ligeras si la masa de aire está suficientemente húmeda. Las corrientes ascendentes de convección típicas pueden permitir que las gotitas crezcan hasta un radio de aproximadamente 0,015 milímetros (0,0006 pulgadas) antes de precipitarse como lluvias. [14] El diámetro equivalente de estas gotitas 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, dando como resultado nubes cumulonimbiformes imponentes que pueden causar condiciones meteorológicas severas . A medida que las diminutas partículas de agua que componen la nube se agrupan para formar gotas de lluvia, son atraídas hacia 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 el aire mucho más tiempo del que lo harían de otra manera. Las violentas corrientes ascendentes pueden alcanzar velocidades de hasta 180 millas por hora (290 km/h). [15] Cuanto más tiempo permanezcan las gotas de lluvia en el aire, más tiempo tendrán para crecer hasta convertirse en gotas más grandes que finalmente caerán en forma de fuertes lluvias.
Las gotas de lluvia que se transportan muy por encima del nivel de congelación se sobreenfrían primero y luego se congelan formando granizo pequeño. Un núcleo de hielo congelado puede alcanzar un tamaño de 1,3 cm al viajar a través de una de estas corrientes ascendentes y puede pasar por varias corrientes ascendentes y descendentes antes de volverse finalmente tan pesado que cae al suelo en forma de granizo grande. Al cortar un granizo por la mitad se ven capas de hielo similares a cebollas, lo que indica momentos distintos en los que pasó a través de una capa de agua sobreenfriada . Se han encontrado granizos con diámetros de hasta 18 cm. [16]
La elevación convectiva puede producirse en una masa de aire inestable muy alejada de cualquier frente. Sin embargo, también puede haber aire inestable muy cálido alrededor de frentes y centros de baja presión, lo que a menudo produce nubes cumuliformes y cumulonimbiformes en concentraciones más pesadas y más activas debido a los agentes de elevación frontales y convectivos combinados. Al igual que con la elevación convectiva no frontal, el aumento de la inestabilidad promueve el crecimiento vertical ascendente de las nubes y aumenta el potencial de condiciones meteorológicas severas. En ocasiones comparativamente raras, la elevación convectiva puede ser lo suficientemente potente como para penetrar la tropopausa y empujar la parte superior de la nube hacia la estratosfera. [17]
Una tercera fuente de sustentación es la circulación del viento que fuerza al aire a pasar por encima de una barrera física como una montaña ( elevación orográfica ). [10] Si el aire es generalmente estable, no se formarán más que nubes lenticulares. Sin embargo, si el aire se vuelve suficientemente húmedo e inestable, pueden aparecer lluvias orográficas o tormentas eléctricas . [18]
Junto con el enfriamiento adiabático que requiere un agente elevador, hay otros tres mecanismos principales para reducir la temperatura del aire hasta su punto de rocío, todos los cuales ocurren cerca del nivel de la superficie y no requieren ninguna elevación del aire. El enfriamiento conductivo, radiacional y evaporativo pueden causar condensación a nivel de la superficie, lo que resulta en la formación de niebla . [19] El enfriamiento conductivo tiene lugar 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 ocurre debido a la emisión de radiación infrarroja , ya sea por el aire o por la superficie debajo. [20] Este tipo de enfriamiento es común durante la noche cuando el cielo está despejado. El enfriamiento evaporativo ocurre cuando se agrega humedad al aire a través de la evaporación, lo que obliga a la temperatura del aire a enfriarse a su temperatura de bulbo húmedo , o algunas veces hasta el punto de saturación. [21]
Existen cinco formas principales en las que el vapor de agua puede añadirse al aire. El aumento del contenido de vapor puede ser resultado de la convergencia del viento sobre el agua o el suelo húmedo en áreas de movimiento ascendente. [22] La precipitación o virga que cae desde arriba también aumenta el contenido de humedad. [23] El calentamiento diurno hace que el agua se evapore de la superficie de los océanos, los cuerpos de agua o la tierra húmeda. [24] La transpiración de las plantas es otra fuente típica de vapor de agua. [25] Por último, el aire frío o seco que se mueve sobre agua más cálida se volverá más húmedo. Al igual que con el calentamiento diurno, la adición de humedad al aire aumenta su contenido de calor y su inestabilidad y ayuda a poner en marcha los procesos que conducen a la formación de nubes o niebla. [26]
La cantidad de agua que puede existir en forma de vapor en un volumen determinado aumenta con la temperatura. Cuando la cantidad de vapor de agua está en equilibrio sobre una superficie plana de agua, el nivel de presión de vapor se denomina saturación y la humedad relativa es del 100 %. En este equilibrio, hay un número igual de moléculas que se evaporan del agua y que se condensan de nuevo en el agua. Si la humedad relativa supera el 100 %, se denomina sobresaturación. La sobresaturación se produce en ausencia de núcleos de condensación. [ cita requerida ]
Como la presión de vapor de saturación es proporcional a la temperatura, el aire frío tiene un punto de saturación más bajo que el aire cálido. 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 adecuadas, el exceso de agua se condensará hasta que se alcance el punto de saturación más bajo. Otra posibilidad es que el agua permanezca en forma de vapor, aunque haya superado el punto de saturación, lo que da como resultado la sobresaturación . [ cita requerida ]
En la atmósfera rara vez se observa una sobresaturación de más del 1-2% en relación con el agua, ya que suelen estar presentes núcleos de condensación de nubes. [27] En el aire limpio son posibles grados mucho más altos de sobresaturación, que son la base de la cámara de nubes .
No existen instrumentos para medir la sobresaturación en las nubes. [28]
Las gotas de agua suelen permanecer en estado líquido y no se congelan, incluso a temperaturas muy por debajo de los 0 °C (32 °F). Los núcleos de hielo que pueden estar presentes en una gota atmosférica se activan para la formación de hielo a temperaturas específicas entre 0 °C (32 °F) y -38 °C (-36 °F), según la geometría y la composición del núcleo. Sin núcleos de hielo, las gotas de agua superenfriadas (así como cualquier agua líquida extremadamente pura) pueden existir hasta aproximadamente -38 °C (-36 °F), punto en el que se produce la congelación espontánea. [ cita requerida ]
Una teoría que explica cómo el comportamiento de las gotitas individuales en una nube conduce a la formación de precipitaciones es el proceso de colisión-coalescencia. Las gotitas suspendidas en el aire interactuarán entre sí, ya sea chocando y rebotando entre sí o combinándose para formar una gotita más grande. Finalmente, las gotitas se vuelven lo suficientemente grandes como para caer a la tierra en forma de precipitación. El proceso de colisión-coalescencia no constituye una parte significativa de la formación de nubes, ya que las gotitas de agua tienen una tensión superficial relativamente alta. Además, la ocurrencia del proceso de colisión-coalescencia está estrechamente relacionada con los procesos de arrastre-mezcla. [29]
El mecanismo principal para la formación de nubes de hielo fue descubierto por Tor Bergeron . El proceso de Bergeron señala que la presión de vapor de saturación del agua, o la cantidad de vapor de agua que puede contener un volumen determinado, 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, a una humedad relativa del 100 % , cuando interactúa con una gota de agua, pero la misma cantidad de vapor de agua estaría sobresaturada al interactuar con una partícula de hielo. [30] 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 los -40 °C (-40 °F), el agua líquida se nuclea espontáneamente y se congela. La tensión superficial del agua permite que la gota se mantenga líquida muy por debajo de su punto de congelación normal. Cuando esto sucede, se convierte en agua líquida superenfriada . El proceso de Bergeron se basa en la interacción del agua líquida superenfriada (SLW) con los núcleos de hielo para formar partículas más grandes. Si hay pocos núcleos de hielo en comparación con la cantidad de SLW, las gotas no podrán formarse. Un proceso mediante el cual los científicos siembran una nube con núcleos de hielo artificiales para fomentar la precipitación se conoce como siembra de nubes. Esto puede ayudar a provocar precipitaciones en nubes en las que, de otro modo, no habría lluvia. La siembra de nubes añade un exceso de núcleos de hielo artificiales que modifica el equilibrio de modo que haya muchos núcleos en comparación con la cantidad de agua líquida superenfriada. Una nube sobresembrada formará muchas partículas, pero cada una será muy pequeña. Esto se puede hacer como medida preventiva para las zonas que corren el riesgo de sufrir tormentas de granizo . [ cita requerida ]
Las nubes de la troposfera , la capa atmosférica más cercana a la Tierra, se clasifican según la altura a la que se encuentran y su forma o apariencia. [31] Hay cinco formas basadas en la estructura física y el proceso de formación. [32] Las nubes cirriformes son altas, delgadas y tenues, y se ven más ampliamente a lo largo de los bordes delanteros de las perturbaciones meteorológicas organizadas. Las nubes estratiformes no son convectivas y aparecen como capas extensas similares a láminas, que van desde delgadas a muy gruesas con un desarrollo vertical considerable. En su mayoría son el producto de la elevación a gran escala de aire estable. Las nubes cumuliformes de convección libre inestables se forman principalmente en montones localizados. Las nubes estratocumuliformes de convección limitada muestran una mezcla de características cumuliformes y estratiformes que aparecen en forma de rollos u ondulaciones. Las nubes cumulonimbiformes altamente convectivas tienen estructuras complejas que a menudo incluyen cimas cirriformes y nubes accesorias estratocumuliformes. [ cita requerida ]
Estas formas se clasifican de forma cruzada por rango de altitud o nivel en diez tipos de género que se pueden subdividir en especies y tipos menores. Las nubes de alto nivel se forman a altitudes de 5 a 12 kilómetros. Todas las nubes cirriformes se clasifican como de alto nivel y, por lo tanto, constituyen un solo género de nubes cirrus . Las nubes estratiformes y estratocumuliformes en el nivel alto de la troposfera tienen el prefijo cirro- agregado a sus nombres, lo que produce los géneros cirrostratus y cirrocumulus . Nubes similares que se encuentran en el nivel medio (rango de altitud de 2 a 7 kilómetros) llevan el prefijo alto-, lo que resulta en los nombres de género altostratus y altocumulus . [33]
Las nubes de bajo nivel no tienen prefijos relacionados con la altura, por lo que las nubes estratiformes y estratocumuliformes que se encuentran a unos 2 kilómetros o menos se conocen simplemente como estratos y estratocúmulos . Las nubes cúmulos pequeñas con poco desarrollo vertical (especie humilis) también se clasifican comúnmente como de bajo nivel. [33]
Los cúmulos cumuliformes y cumulonimbos y las capas estratiformes profundas suelen ocupar al menos dos niveles troposféricos, y el más grande o profundo de ellos puede ocupar los tres niveles. Pueden clasificarse como de nivel bajo o medio, pero también se clasifican o caracterizan comúnmente como verticales o de múltiples niveles. Los nimboestratos son capas estratiformes con una extensión vertical suficiente para producir precipitaciones significativas. Los cúmulos imponentes (especie congestus) y los cumulonimbos pueden formarse en cualquier lugar desde cerca de la superficie hasta alturas intermedias de alrededor de 3 kilómetros. De las nubes desarrolladas verticalmente, el tipo cumulonimbo es el más alto y puede abarcar virtualmente toda la troposfera desde unos pocos cientos de metros sobre el suelo hasta la tropopausa. [33] Es la nube responsable de las tormentas eléctricas.
Algunas nubes pueden formarse en niveles muy altos o extremos por encima de la troposfera, principalmente sobre las regiones polares de la Tierra. Las nubes estratosféricas polares se ven, pero rara vez, en invierno a altitudes de 18 a 30 kilómetros, mientras que en verano, las nubes noctilucentes se forman ocasionalmente en latitudes altas en un rango de altitud de 76 a 85 kilómetros. [34] Estas nubes polares muestran algunas de las mismas formas que se observan más abajo en la troposfera.
Tipos homosféricos determinados por clasificación cruzada de formas y niveles .
Los tipos homosféricos incluyen los diez géneros troposféricos y varios tipos principales adicionales por encima de la troposfera. El género cumulus incluye cuatro especies que indican tamaño y estructura verticales.
Los satélites se utilizan para recopilar datos sobre las propiedades de las nubes y otra información como la cantidad de nubes, la altura, la emisividad IR, la profundidad óptica visible, la formación de hielo, el tamaño efectivo de las partículas tanto para líquidos como para hielo, y la temperatura y la presión en la parte superior de las nubes.
Los conjuntos de datos sobre las propiedades de las nubes se recopilan mediante satélites como MODIS , POLDER , CALIPSO o ATSR . Los instrumentos miden las radiancias de las nubes, de las que se pueden recuperar los parámetros relevantes. Esto se hace generalmente mediante el uso de la teoría inversa . [35]
El método de detección se basa en el hecho de que las nubes tienden a aparecer más brillantes y más frías que la superficie terrestre. Debido a esto, surgen dificultades para detectar nubes sobre superficies brillantes (altamente reflectantes ), como océanos y hielo. [35]
El valor de un parámetro determinado es más fiable cuanto más satélites lo midan. Esto se debe a que el rango de errores y detalles desatendidos varía de un instrumento a otro. Por lo tanto, si el parámetro analizado tiene valores similares para diferentes instrumentos, se acepta que el valor verdadero se encuentra en el rango dado por los conjuntos de datos correspondientes. [35]
El Experimento Global del Ciclo de la Energía y el Agua utiliza las siguientes cantidades para comparar la calidad de los datos de diferentes satélites con el fin de establecer una cuantificación confiable de las propiedades de las nubes: [35]
Otra propiedad vital es la característica de formación de hielo de varios tipos de nubes a distintas altitudes, que puede tener un gran impacto en la seguridad de los vuelos. Las metodologías utilizadas para determinar estas características incluyen el uso de datos de CloudSat para el análisis y recuperación de las condiciones de formación de hielo, la ubicación de las nubes utilizando datos geométricos y de reflectividad de las nubes, la identificación de los tipos de nubes utilizando datos de clasificación de nubes y la búsqueda de la distribución vertical de la temperatura a lo largo de la trayectoria de CloudSat (GFS). [36]
El rango de temperaturas que pueden dar lugar a condiciones de formación de hielo se define según los tipos de nubes y los niveles de altitud:
Existen fuerzas en toda la homosfera (que incluye la troposfera, la estratosfera y la mesosfera) que pueden afectar la integridad estructural de una nube. Se ha especulado que mientras el aire permanezca saturado, la fuerza natural de cohesión que mantiene unidas las moléculas de una sustancia puede actuar para evitar que la nube se rompa. Sin embargo, esta especulación tiene un defecto lógico en el sentido de que las gotas de agua en la nube no están en contacto entre sí y, por lo tanto, no satisfacen la condición requerida para que actúen las fuerzas intermoleculares de cohesión. La disolución de la nube puede ocurrir cuando cesa el proceso de enfriamiento adiabático y la elevación ascendente del aire es reemplazada por subsidencia . Esto conduce al menos a cierto grado de calentamiento adiabático del aire que puede hacer que las gotas o cristales de la nube se conviertan nuevamente en vapor de agua invisible. [37] Fuerzas más fuertes como la cizalladura del viento y las corrientes descendentes pueden afectar a una nube, pero estas se limitan en gran medida a la troposfera, donde tiene lugar casi todo el clima de la Tierra. [38] Una nube cúmulo típica pesa alrededor de 500 toneladas métricas, o 1,1 millones de libras, el peso de 100 elefantes. [39]
Hay dos esquemas de modelos principales que pueden representar la física de las nubes, el más común es el modelo de microfísica en masa que utiliza valores medios para describir las propiedades de las nubes (por ejemplo, contenido de agua de lluvia, contenido de hielo), las propiedades pueden representar solo el primer orden (concentración) o también el segundo orden (masa). [40] La segunda opción es utilizar el esquema de microfísica bin que mantiene los momentos (masa o concentración) en diferentes para diferentes tamaños de partículas. [41] Los modelos de microfísica en masa son mucho más rápidos que los modelos bin pero son menos precisos. [42]
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