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Piscina fría

Piscina fría que se forma y se expande durante una tormenta eléctrica.

En la ciencia atmosférica , una bolsa fría (BP) es una bolsa fría de aire denso que se forma cuando la lluvia se evapora durante una precipitación intensa , por ejemplo, debajo de una nube de tormenta o una nube poco profunda que precipita. Por lo general, las bolsas frías se extienden a 10 m/s y duran entre 2 y 3 horas. [1] Las bolsas frías son omnipresentes tanto en la tierra como en el océano. [2]

Las características y el impacto de las bolsas de aire frío varían según las propiedades de la convección original , es decir, sus índices de lluvia y el entorno a gran escala en el que se originan. [2] Las bolsas de aire frío pueden tener un fuerte impacto en la cobertura y organización de las nubes, al desencadenar nueva convección en el frente de ráfagas y suprimir las nubes en su interior. [2]

Los charcos fríos se pueden detectar y estudiar utilizando observaciones, [3] [4] [5] [2] [6] simulaciones numéricas de alta resolución , [2] y modelos conceptuales simples . [7]

Características

Las piscinas frías se extienden radialmente a lo largo de la superficie a partir del evento de lluvia como un frente de ráfagas en movimiento . Cuando pasa el frente de ráfagas, las piscinas frías provocan un aumento en la velocidad del viento y una caída repentina en la humedad específica y en la temperatura del aire . En simulaciones de grandes remolinos , alcanzan un radio de 10 km, mientras que, en la realidad, pueden llegar a tener un radio de 50 a 100 km y durar de 2 a 3 h en promedio. [1] [2] [8] [9]

Propiedades, formación y recuperación de piscinas frías

Las piscinas frías consisten en una masa a gran escala de aire frío [10] rodeada de aire más cálido (según la Sociedad Meteorológica Americana ). Sobre el océano, estas masas de aire superficial frío y denso son causadas principalmente por el enfriamiento a través de la evaporación de la precipitación de las nubes poco profundas y de tormenta en aire no saturado . La evaporación de la precipitación requiere energía, que se utiliza en forma de calor latente , lo que hace que el aire dentro de una piscina fría sea más denso que el aire ambiental. Además, la lluvia que cae arrastra el aire a su alrededor. [11] [12] Estos efectos aceleran la masa de aire hacia la superficie, lo que lleva a una rápida disminución de la temperatura del aire de la superficie y genera un flujo divergente que se aleja radialmente de la ubicación de la precipitación. [4] A medida que la corriente de densidad se extiende horizontalmente hacia afuera, el aire seco y frío se inyecta en la capa límite debido a las corrientes descendentes penetrantes. Esto seca el área central de la piscina fría, a veces denominada estela de la piscina fría, más que los bordes. Las piscinas frías se extienden radialmente lejos del evento de lluvia a lo largo de la superficie como un frente de ráfaga en movimiento . Cuando pasa el frente de ráfagas, las bolsas de aire frío provocan un aumento de la velocidad del viento y una caída repentina de la humedad específica y de la temperatura del aire . El frente de ráfagas está asociado con el aumento del viento y la elevación mecánica del aire húmedo. [13] [11] [14] [6] Por lo tanto, el frente de ráfagas de bolsas de aire frío puede identificarse generalmente como un arco de nubes de mesoescala . [6]

Las piscinas frías terminan cuando sus características ya no se pueden distinguir del flujo a gran escala, es decir, cuando su firma en las variables meteorológicas está dentro de la variabilidad de fondo del entorno. [6] [2] La temperatura en el interior de una piscina fría generalmente se recupera más rápido que la temperatura en el borde, ya que el aire de encima de la capa límite es arrastrado hacia la estela de la piscina fría. [1] Además, la humedad se recupera mucho más rápidamente que la temperatura. [6] [5]

Piscinas frías en diferentes regímenes

Las piscinas frías son omnipresentes tanto en la tierra como en el océano. [15] Casi todas las nubes poco profundas en la región de los vientos alisios que producen tasas de precipitación superiores a 1 mm/h están asociadas con piscinas frías. [16]

Las características de las piscinas frías difieren dependiendo de la profundidad de la convección original (profunda o superficial). [6] Se observó que las propiedades de las piscinas frías formadas en los vientos alisios (caracterizadas por una convección superficial) varían significativamente de las propiedades de las piscinas frías formadas a partir de la convección profunda tropical . [16] Por ejemplo, están asociadas con caídas de temperatura que son en promedio 2 K más débiles, y experimentan menos secado y un aumento menor de la velocidad del viento. [5] [6] La región de los vientos alisios es principalmente más seca y se caracteriza por un movimiento de hundimiento que limita el crecimiento de la convección y mantiene las nubes superficiales.

Impactos de la piscina fría

Activación de la convección

Se ha descubierto que las piscinas frías desencadenan una convección secundaria en sus bordes, a través de la combinación de elevación mecánica y termodinámica . [4] [1] [2] La activación convectiva termodinámica se debe al aumento del vapor de agua y la temperatura virtual en el frente de ráfagas; es frecuente en regiones de convección profunda con baja cizalladura vertical sobre el océano. [1] La activación convectiva mecánica también ocurre en los bordes de las piscinas frías cuando la velocidad de propagación es lo suficientemente alta. [4] [2] Las colisiones entre varias piscinas frías pueden desencadenar la formación de un nuevo evento de tormenta eléctrica y, por lo tanto, formar una nueva piscina fría. [14] [7]

Sobre la tierra, el efecto de los aerosoles y los flujos superficiales son de gran importancia para el desencadenamiento de nueva convección. [17]

Organización convectiva y de nubes

Un papel importante de los charcos fríos se puede encontrar en la evolución de la agregación convectiva. [7] Los charcos fríos tienden a homogeneizar los campos de convección y humedad a través de la divergencia del aire cercano a la superficie y, por lo tanto, pueden actuar para oponerse a la autoagregación convectiva . [18] Este puede ser el caso de la convección profunda [19] y superficial. [20] Se ha señalado a los charcos fríos como la fuente de la dependencia del dominio de los modelos de resolución de nubes para iniciar la autoagregación convectiva. [21] La autoagregación convectiva solo puede ocurrir en dominios mayores a ~200 km. En dominios más grandes, los charcos fríos se disiparían antes de que pudieran viajar lo suficientemente lejos como para inhibir la agregación de la convección. [18] Existe una competencia entre el efecto homogeneizador de los charcos fríos y la entrada de humedad desde las regiones secas hacia una celda agregada por convección, lo que se cree que contribuye a la convección intensificada en los bordes. [22]

Se ha demostrado que los patrones específicos de organización de nubes de mesoescala [23] en la región de los vientos alisios están asociados con diferentes frecuencias de ocurrencia y propiedades de las piscinas frías. [6] Esto se debe a las diferentes condiciones ambientales, así como a las propiedades de la lluvia y las nubes, asociadas con diferentes patrones. [24] [23] Aún no está claro qué importancia tienen las piscinas frías para mantener o iniciar patrones. [6] Las piscinas frías también pueden ayudar en la transición de convección superficial a profunda. [25]

Cobertura de nubes

Se espera que las piscinas frías tengan una influencia en la cobertura de nubes a través de sus efectos tanto en el desencadenamiento como en la supresión de la nubosidad. Sin embargo, este es todavía un tema de investigación abierto. [6] [2] En la región de los vientos alisios, esto es especialmente importante porque la cobertura de nubes contribuye en gran medida al albedo planetario . [26] Los desafíos en la representación y observación de los procesos microfísicos , los efectos de la cizalladura del viento y la recuperación de las piscinas frías dificultan la comprensión de la relación entre las piscinas frías y la cobertura de nubes. [2]

Observaciones

La cosmovisión de la NASA y los agujeros en las nubes de Modis
Instantánea de Terra/MODIS de la NASA de piscinas frías en las cercanías de Barbados, el 5 de febrero de 2020.

A partir de imágenes satelitales, las piscinas frías pueden identificarse como arcos de nubes de mesoescala que rodean áreas de cielo despejado o plataformas estratiformes . [6] Los métodos de detección comunes se basan en mediciones de caídas fuertes y abruptas de la temperatura de la superficie [6] [4] [5] [3] o el inicio de fuertes tasas de lluvia. [27] Las piscinas frías también pueden identificarse a partir de cambios en la profundidad de la capa mixta atmosférica , [28] o a partir de imágenes de radar de apertura sintética . [29]

Las piscinas frías se han estudiado a partir de observaciones tomadas durante varias campañas de campo. Por ejemplo, durante la campaña Rain in Cumulus over the Ocean (RICO [16] [30] ) en el Caribe oriental entre diciembre de 2004 y enero de 2005, durante el experimento Dynamics of the Madden–Julian Oscillation (DYNAMO [16] [5] ) en el océano Índico, desde el Barbados Cloud Observatory durante 12 años [6] [31] y durante EUREC4A, [32] [28] y desde redes de estaciones densas (FESSTVaL, FESST@HH), [4] por nombrar algunos ejemplos.

Modelado

Los charcos fríos se han estudiado utilizando simulaciones de grandes remolinos [33] [34] y modelos de resolución de nubes [1] [35] en dominios más pequeños. Los modelos reproducen los anillos de vapor de agua observados en las observaciones, pero pueden sobreestimar el contenido de humedad de estos anillos. [35] [2] [14] Las dificultades para modelar charcos fríos surgen en la representación de la mezcla turbulenta y la microfísica, que ocurren en escalas muy pequeñas. [2] Las condiciones de contorno en los bordes del dominio del modelo también deben considerarse e impactan las propiedades de los charcos fríos simulados. [36] [37]

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Véase también