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 están formadas por gotitas microscópicas de agua líquida (nubes cálidas), pequeños cristales de hielo (nubes frías) o ambas (nubes de fase mixta), junto con partículas microscópicas de polvo, humo u otra materia, conocidas como núcleos de condensación. [1] Las gotas de nube se forman inicialmente por la condensación de vapor de agua en núcleos de condensación cuando la sobresaturación del aire supera un valor crítico según la teoría de Köhler . Los núcleos de condensación de las nubes son necesarios para la formación de gotas 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 gotas de la nube son pequeñas, la sobresaturación requerida es menor que sin la presencia de un núcleo.
En las nubes cálidas, las gotas de las nubes más grandes caen a una velocidad terminal más alta; porque a una velocidad dada, la fuerza de arrastre por unidad de peso de la gota en las gotas más pequeñas es mayor que en las gotas grandes. Las gotas grandes pueden entonces chocar con las 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 en forma de 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 rimado , cuando una gota de líquido sobreenfriado 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 comprende 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 de las nubes moderna comenzó en el siglo XIX y fue descrita en varias publicaciones. [2] [3] [4] Otto von Guericke originó la idea de que las nubes estaban compuestas de burbujas de agua. En 1847, Augustus Waller utilizó una telaraña para examinar gotas 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 un área de la superficie de la Tierra, el aire sobre esa área 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, dando como resultado una serie de paquetes discretos de aire húmedo que se elevan para formar nubes. [6]
Este proceso ocurre cuando uno o más de tres posibles agentes de elevación (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 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 alto 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 chocar 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]
Para 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 generalmente se forman a la altura del nivel de condensación convectiva (CCL). El vapor de agua en el aire saturado normalmente es atraído por núcleos de condensación, como partículas de sal , que son lo suficientemente pequeñas como para mantenerse en alto mediante 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 gotitas de agua muy pequeñas. Las nubes que se forman justo por encima del nivel de congelación están compuestas principalmente de gotas de líquido sobreenfriado, mientras que las que se condensan en altitudes más altas, donde el aire es mucho más frío, generalmente toman la forma de cristales de hielo . La ausencia de suficientes partículas de condensación en y por encima del nivel de condensación hace que el aire ascendente se sobresature y la formación de nubes tiende a inhibirse. [10]
La elevación frontal y ciclónica ocurre en sus manifestaciones más puras cuando el aire estable , que ha sido sometido a poco o ningún calentamiento superficial, es impulsado hacia arriba en frentes climáticos y alrededor de centros de baja presión . [11] Los frentes cálidos asociados con ciclones extratropicales tienden a generar principalmente nubes cirriformes y estratiformes en un área amplia, a menos que la masa de aire cálido que se aproxima sea inestable, en cuyo caso los cúmulos congestus o cumulonimbus generalmente estarán incrustados en la capa principal de nubes precipitantes. [12] Los frentes fríos suelen moverse 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 delante del frente. [13]
Otro agente es el movimiento ascendente convectivo boyante causado por un importante calentamiento solar diurno a nivel de la superficie o por una humedad absoluta relativamente alta. [10] La radiación entrante de onda corta generada por el sol se reemite 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 la superficie hasta frío en lo alto. Esto hace que suba y se enfríe hasta que se alcance el equilibrio de temperatura con el aire circundante en altura. 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 gotas crezcan hasta un radio de aproximadamente 0,015 milímetros (0,0006 pulgadas) antes de precipitarse en forma de lluvia. [14] 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, dando como resultado nubes cumulonimbiformes imponentes que pueden causar condiciones climáticas severas . A medida que las pequeñas partículas de agua que forman las nubes 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 fuertes corrientes ascendentes amortiguan las gotas que caen y pueden mantenerlas en el aire mucho más tiempo de lo 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 permanecen en el aire las gotas de lluvia, más tiempo tienen para convertirse en gotas más grandes que eventualmente caen en forma de fuertes aguaceros.
Las gotas de lluvia que se transportan muy por encima del nivel de congelación se sobreenfrían al principio y luego se congelan formando pequeños granizos. Un núcleo de hielo congelado puede alcanzar un tamaño de 1,3 cm (0,5 pulgadas) al viajar a través de una de estas corrientes ascendentes y puede pasar por varias corrientes ascendentes y descendentes antes de volverse tan pesado que cae al suelo en forma de granizo de gran tamaño. Cortar una piedra de granizo por la mitad muestra capas de hielo parecidas a cebollas, lo que indica distintos momentos 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). [dieciséis]
La elevación convectiva puede ocurrir en una masa de aire inestable muy alejada de cualquier frente. Sin embargo, también puede haber aire muy cálido e inestable alrededor de frentes y centros de baja presión, lo que a menudo produce nubes cumuliformes y cumulonimbiformes en concentraciones más pesadas y activas debido a la combinación de agentes de elevación frontales y convectivos. Al igual que con la elevación convectiva no frontal, el aumento de la inestabilidad promueve el crecimiento vertical ascendente de las nubes y aumenta la posibilidad de que se produzcan condiciones meteorológicas adversas. En ocasiones comparativamente raras, la elevación convectiva puede ser lo suficientemente poderosa como para penetrar la tropopausa y empujar la cima de la nube hacia la estratosfera. [17]
Una tercera fuente de elevación 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 chubascos orográficos o tormentas eléctricas . [18]
Junto con el enfriamiento adiabático que requiere un agente de elevación, existen otros tres mecanismos principales para bajar 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, radiativo y evaporativo puede 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 radiativo se produce debido a la emisión de radiación infrarroja , ya sea por el aire o por la superficie que se encuentra 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 que la temperatura del aire se enfríe hasta su temperatura de bulbo húmedo o, a veces, hasta el punto de saturación. [21]
Hay cinco formas principales en que se puede agregar vapor de agua al aire. Un mayor contenido de vapor puede resultar 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, las masas de agua o las tierras húmedas. [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 ocurre con la calefacción diurna, 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 dado 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 llama saturación y la humedad relativa es del 100%. En este equilibrio, hay el mismo número de moléculas que se evaporan del agua y las que se condensan nuevamente en el agua. Si la humedad relativa supera el 100%, se denomina sobresaturado. La sobresaturación ocurre en ausencia de núcleos de condensación. [ cita necesaria ]
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 adecuadas, el exceso de agua se condensará en el aire hasta alcanzar 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 una sobresaturación . [ cita necesaria ]
Rara vez se observa en la atmósfera una sobresaturación de más del 1 al 2% en relación con el agua, ya que los núcleos de condensación de nubes suelen estar presentes. [27] En el aire limpio son posibles grados de sobresaturación mucho más altos y son la base de la cámara de niebla .
No existen instrumentos para medir la sobresaturación en las nubes. [28]
Las gotas de agua comúnmente 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 gota atmosférica se vuelven activos 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 sobreenfriada (así como cualquier agua líquida extremadamente pura) pueden existir hasta aproximadamente -38 °C (-36 °F), momento en el que se produce la congelación espontánea. [ cita necesaria ]
Una teoría que explica cómo el comportamiento de las gotas individuales en una nube conduce a la formación de precipitación es el proceso de colisión-coalescencia. Las gotas suspendidas en el aire interactuarán entre sí, ya sea chocando y rebotando entre sí o combinándose para formar una gota más grande. Con el tiempo, las gotas 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 gotas de agua tienen una tensión superficial relativamente alta. Además, la aparición de colisiones-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, al 100% de humedad relativa , cuando interactúa con una gota de agua, pero la misma cantidad de vapor de agua estaría sobresaturada cuando interactúa 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 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 nucleará y congelará espontáneamente. 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, no se podrán formar gotas. 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 las nubes que de otro modo no lloverían. La siembra de nubes añade un exceso de núcleos de hielo artificial, lo que cambia el equilibrio de modo que hay muchos núcleos en comparación con la cantidad de agua líquida súper enfriada. Una nube demasiado sembrada formará muchas partículas, pero cada una será muy pequeña. Esto se puede hacer como medida preventiva en áreas que corren riesgo de sufrir tormentas de granizo . [ cita necesaria ]
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 principales de las perturbaciones climáticas organizadas. Las nubes estratiformes no son convectivas y aparecen como capas extensas en forma de láminas, que van desde delgadas hasta muy gruesas con un desarrollo vertical considerable. En su mayoría son producto de la elevación a gran escala de aire estable. Las nubes cumuliformes inestables y de convección libre 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 necesaria ]
Estas formas se clasifican de forma cruzada por rango o nivel de altitud 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 tanto constituyen un único género de nubes cirros . 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 da como resultado 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 situadas alrededor de 2 kilómetros o menos se conocen simplemente como estratos y estratocúmulos . Los cúmulos pequeños con poco desarrollo vertical (especie humilis) también se clasifican comúnmente como de bajo nivel. [33]
Los montones cumuliformes y cumulonimbiformes y las capas estratiformes profundas a menudo ocupan al menos dos niveles troposféricos, y el más grande o más profundo de ellos puede ocupar los tres niveles. Pueden clasificarse como de nivel bajo o medio, pero también comúnmente se clasifican o caracterizan como verticales o de niveles múltiples. Las nubes nimboestratos son capas estratiformes con suficiente extensión vertical para producir precipitaciones significativas. Los cúmulos imponentes (especie congestus) y los cumulonimbus 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 cumulonimbus es el más alto y prácticamente puede abarcar toda la troposfera desde unos pocos cientos de metros sobre el suelo hasta la tropopausa. [33] Es la nube responsable de las tormentas.
Algunas nubes pueden formarse en niveles muy altos o extremos por encima de la troposfera, principalmente por encima de las regiones polares de la Tierra. Las nubes estratosféricas polares se ven raramente en invierno a altitudes de 18 a 30 kilómetros, mientras que en verano, ocasionalmente se forman nubes noctilucentes 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 ven en la parte inferior de 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 vertical.
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 el líquido como para el hielo, y la temperatura y presión de la cima 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 la radiancia de las nubes, de donde se pueden obtener los parámetros relevantes. Esto generalmente se hace mediante el uso de la teoría inversa . [35]
El método de detección se basa en el hecho de que las nubes tienden a parecer más brillantes y más frías que la superficie terrestre. Debido a esto, aumentan las dificultades para detectar nubes sobre superficies brillantes (altamente reflectantes ), como los océanos y el hielo. [35]
El valor de un determinado parámetro es más fiable cuantos más satélites miden dicho parámetro. Esto se debe a que la variedad de errores y detalles omitidos varía de un instrumento a otro. Así, 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 de Energía y Ciclo del Agua utiliza las siguientes cantidades para comparar la calidad de los datos de diferentes satélites y establecer una cuantificación confiable de las propiedades de las nubes: [35]
Otra propiedad vital es la formación de hielo característica de varios tipos de nubes a distintas altitudes, lo 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 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. (EGF). [36]
El rango de temperaturas que puede dar lugar a condiciones de formación de hielo se define según los tipos de nubes y los niveles de altitud:
Hay fuerzas en toda la homósfera (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 error lógico: 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 del aire hacia arriba es reemplazada por hundimiento . Esto conduce a al menos cierto grado de calentamiento adiabático del aire, lo que puede provocar que las gotas o cristales de las nubes se conviertan nuevamente en vapor de agua invisible. [37] Fuerzas más fuertes, como la cizalladura del viento y las corrientes descendentes, pueden impactar una nube, pero se limitan en gran medida a la troposfera, donde tiene lugar casi todo el clima de la Tierra. [38] Un cúmulo típico 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 son los modelos de microfísica masiva que utilizan 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 un esquema de microfísica bin que mantenga los momentos (masa o concentración) diferentes para diferentes tamaños de partículas. [41] Los modelos de microfísica masiva son mucho más rápidos que los modelos bin, pero son menos precisos. [42]
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