Rocío y escarcha

Cátedra de Introducción a las Ciencias de la Atmósfera
Apuntes Complementarios de las Clases Teóricas
Unidad 5: Precipitación
Profesor: Pablo L. Antico
Procesos que conducen a la precipitación
Una nube está compuesta por muchas gotas pequeñas, las cuales resultan demasiado
pequeñas para caer hasta el suelo en forma de lluvia. Estas gotas diminutas solamente
necesitan de una suave corriente ascendente de aire para mantenerse en suspensión.
Aquellas que de todas formas caen, descienden muy lentamente y se evaporan en el aire
seco que se encuentra debajo de la nube. Resulta entonces que la mayoría de las nubes
no son capaces de producir precipitación. El proceso de condensación por sí solo es
demasiado lento para producir lluvia. Aún bajo condiciones propicias, demandaría varios
días lograr el crecimiento de gotas para que precipiten en forma de lluvia. Sin embargo,
las observaciones muestran que las nubes pueden desarrollarse y comenzar a producir
lluvia en menos de una hora. Teniendo en cuenta que, para formar una gota de lluvia
promedio (2000 μm) se requieren alrededor de 1 millón de gotitas de nube de tamaño
medio (20 μm), se deduce que debe existir algún otro mecanismo que permita crecer a las
gotas lo suficiente como para que precipiten en forma de lluvia. A continuación, se
presentan los dos principales mecanismos que explican la generación de lluvia: el proceso
de colisión-coalescencia y el proceso de cristales de hielo o Bergeron.
Proceso de colisión-coalescencia
En nubes con topes a temperatura mayor que –15 ºC, las colisiones entre gotas son
fundamentales para producir precipitación. Para que ocurran suficientes colisiones
necesarias para formar una gota de lluvia, algunas gotas deben ser más grandes que
otras. Las gotas más grandes se forman entorno de núcleos de condensación grandes,
como las partículas de sal o bien por colisión al azar entre gotas.
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A medida que las gotas de nube caen debido a la acción de la gravedad, la resistencia
del aire desacelera su caída de manera tal que se alcanza una velocidad constante de
equilibrio denominada velocidad terminal. Esta última depende de la relación entre la
superficie de la gota y su peso, de manera que las gotas más grandes tienen mayores
velocidades terminales. Por lo tanto, a medida que van cayendo colisionan con pequeñas
gotitas que encuentran a su paso. Cuando las gotitas colisionan y se fusionan con la gota
grande, haciendo que ésta adquiera mayor masa, ocurre coalescencia. Entre los factores
que influyen este proceso, se encuentra el tiempo de residencia de la gota en la nube, de
manera tal que a mayor tiempo mayor será el tamaño de la gota que finalmente cae en
forma de lluvia.
Proceso de cristales de hielo o Bergeron
Este proceso es el principal mecanismo de producción de precipitación en latitudes
medias y altas, en donde las nubes se desarrollan hasta alturas en donde la temperatura
cae muy por debajo del punto de congelación, con valores inferiores a –20 ºC. Se trata
entonces de nubes mixtas, en donde solo existen unos pocos cristales en comparación
con las abundantes gotitas de agua sobreenfriada (es decir, agua líquida por debajo del
punto de congelación). Pero resulta que, ni las gotitas ni los cristales son lo
suficientemente grandes como para caer en forma de lluvia o nieve. Entonces, ¿cómo
actúa el proceso de Bergeron para generar precipitación?
En el ambiente nuboso, cada cristal se encuentra rodeado por muchas gotitas
sobreenfriadas. Supongamos una parcela de aire nuboso (saturado) a una temperatura de
–15 ºC en donde coexisten gotitas y cristales de hielo. Según la curva de equilibrio de
fases, o de Clausius-Clapeyron, para una misma temperatura existen dos presiones de
vapor de equilibrio: una con respecto al agua y otra con respecto al hielo. La mayor
presión de vapor de saturación corresponde al agua sobreenfriada. Por lo tanto, no es
posible suponer una condición de equilibrio en un sistema en donde tengo gotas y
cristales a la misma temperatura (–15 ºC). Esta diferencia de presión de vapor provoca
una difusión de moléculas de agua hacia los cristales. Como consecuencia, la presión de
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vapor en el entorno de las gotas disminuye, tornando más inestable aún el equilibrio entre
la fase líquida y gaseosa. En respuesta a este desequilibrio, las gotitas se evaporan para
compensar el déficit de vapor. Este proceso produce una fuente continua de vapor que
favorece el crecimiento del cristal, el cual crecerá rápidamente a expensas de la
evaporación de las gotas.
El constante suministro de vapor hacia el cristal le permite crecer muy rápido. Hasta un
punto en que éste se torna lo suficientemente pesado como para caer a través de la
corriente ascendente que forma la nube y entonces comienza a caer. Sin embargo, unos
pocos cristales no pueden explicar la ocurrencia de una nevada, con lo cual deberá existir
algún mecanismo que forme una abundante cantidad de cristales que precipiten de la
nube.
En ciertas nubes, en especial aquellas con topes relativamente cálidos, los cristales de
hielo chocan con gotitas sobreenfriadas, congelándolas instantáneamente y acrecentando
de esa manera el cristal (proceso denominado acreción). Los cristales formados se
denominan graupel (o nieve granulada). A medida que el graupel cae, se fractura o astilla
en pequeñas partículas de hielo a medida que colisiona con gotas de nube. Estas astillas
pueden crecer hasta convertirse nuevamente en graupel, el cual a su vez puede producir
más astillas.
En las nubes más frías, los cristales pueden chocar con otros cristales y fracturarse en
pequeñas partículas de hielo, o diminutas semillas, las cuales congelan por contacto a
cientos de gotas sobreenfriadas. En ambos casos se logra una reacción en cadena que
produce muchos cristales. A medida que éstos caen, pueden chocar y pegarse entre unos
y otros. El proceso mediante el cual los cristales chocan y se pegan entre ellos se
denomina agregación. El producto final de esta aglutinación es un copo de nieve. Si éste
se funde antes de alcanzar el suelo, entonces continúa su caída como una gota de lluvia.
Por lo tanto, la mayor parte de la lluvia que cae en latitudes medias y altas –aún en
verano– se inicia como nieve.
Para que los cristales de hielo crezcan lo suficiente como para producir precipitación, es
necesario que el número de gotas de agua supere varias veces al de los cristales. En
general, el número de cristales con respecto al de gotas debe ser del orden de 1 : 100.000
a 1 : 1.000.000.
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Precipitación en nubes
En nubes convectivas frías la precipitación puede comenzar apenas unos minutos
después de la formación de la nube y puede iniciarse tanto por el proceso de colisióncoalescencia como por el de cristales de hielo (Bergeron). Una vez que cualquiera de los
procesos comienza, la mayor parte de la precipitación crece por acreción. Si bien la
precipitación en general está ausente en nubes estratiformes cálidas, como los stratus, en
general está asociada con nubes frías estratiformes como los nimbostratus y los
altostratus. Esta precipitación se supone que se forma principalmente mediante el proceso
de cristales de hielo (Bergeron) debido a que el contenido de agua líquida en estas nubes
es generalmente menor que el de las nubes convectivas, de manera tal que el proceso de
colisión-coalescencia se torna menos efectivo. Los nimbostratus suelen ser lo
suficientemente espesos como para extenderse hasta niveles donde la temperatura del
aire es lo suficientemente baja, y suelen persistir lo suficiente como para que el proceso
de cristales de hielo (Bergeron) inicie la precipitación.
Tipos de precipitación
Lluvia
Se define como la caída de gotas de agua líquida cuyo diámetro es igual o mayor a 0,5
mm. Cuando caen gotas pequeñas y uniformes con un diámetro menor que 0,5 mm se
denomina llovizna. La mayoría de las veces la llovizna cae desde stratus, pero también
sucede que pequeñas gotas de lluvia se evaporan a medida que caen a través de aire no
saturado, entonces se evaporan parcialmente y alcanzan el suelo en forma de llovizna. En
algunos casos la lluvia que cae desde una nube nunca alcanza el suelo porque la baja
humedad causa una rápida evaporación. A medida que las gotas se tornan más
pequeñas, su velocidad de caída disminuye y aparecen como si fuesen banderines
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colgando desde la base de las nubes. Estas franjas de lluvia evaporándose se denominan
virga.
Las gotas de lluvia también pueden caer desde una nube y no alcanzar el suelo cuando
encuentran aire que asciende rápidamente. Las gotas de lluvia grandes tienen una
velocidad terminal de aproximadamente 9 m/seg, y si encuentran aire ascendente cuya
velocidad supera los 9 m/seg entonces éstas no alcanzan la superficie. Si la ascendente
se debilita o cambia su dirección conviertiéndose en una descendente, las gotas en
suspensión caerán hasta el suelo en forma de un repentino chaparrón de lluvia. La
intensidad de un chaparrón depende de la intensidad de las corrientes ascendentes y
descendentes dentro de la nube y de la velocidad de desplazamiento de ésta con
respecto al suelo. En el caso de los cumulonimbus, debido a la fuerte intensidad de las
corrientes de aire y la coexistencia de ascendentes y descendentes en distancias de
pocos metros, es posible que en superficie ocurra un chaparrón sobre una vereda y el
lado de enfrente de la misma calle aún permanezca seco. Por otro lado, la lluvia contínua
suele caer desde nubes estratiformes que cubren un gran área y poseen corrientes
verticales de aire más débiles. Estas condiciones suelen estar asociadas a los
nimbostratus.
Es importante conocer el intervalo de tiempo durante el cual cae la lluvia. La lluvia puede
caer durante varios días a media que va siendo absorbida por el suelo o bien caer
totalmente en forma de chaparrón y provocar erosión en el suelo, obstrucción de la
alcantarillas en las ciudades y causar inundaciones en valles haciendo que los ríos no
logren evacuar el caudal incrementado de manera repentina. Se define como intensidad
de la lluvia a la cantidad que cae durante un dado período: la intensidad de la lluvia
siempre se basa en la acumulación durante un cierto intervalo de tiempo y suele
expresarse en mm/hr.
Nieve
La mayor parte de la precipitación que alcanza el suelo se inicia como nieve. En los
climas templados de latitudes medias, el nivel de congelación (altura de la isoterma de 0
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°C) se encuentra por encima de 3600 m durante el verano y los copos de nieve que caen
desde una nube se funden antes de alcanzar el suelo. Para que éstos lleguen al suelo se
requiere que el nivel de congelación esté mucho más bajo y así los copos de nieve
tendrán mejores chances de sobrevivir. Normalmente, los copos de nieve caen hasta 300
m por debajo del nivel de congelación.
Normalmente los copos de nieve presentan una estructura en forma de estrella con
ramificaciones denominadas dendritas. El tipo de cristal que se forma, como así también
su tasa de crecimiento, depende de la temperatura del aire y de la humedad relativa. En la
Tabla I se presentan diferentes rangos con valores de temperatura y humedad dentro de
los cuales se favorece el desarrollo de los distintos tipos de cristales. En la misma Tabla
se observa que las dendritas son comunes a temperaturas entre –12°C y –16°C. La tasa
máxima de crecimiento de los cristales depende de la diferencia entre la presión de vapor
de saturación sobre el agua y sobre el hielo, siendo máxima esta diferencia justamente en
el rango de temperaturas donde las dendritas tienen mayor probabilidad de formarse. Por
consiguiente, este tipo de cristales crece más rápidamente que las otras formas. A medida
que los cristales de hielo caen a través de una nube, se exponen a cambios de
temperatura y humedad. Dado que varios cristales pueden juntarse (agregación) para
formar un copo de nieve mucho más grande, los cristales de nieve pueden tomar formas
muy complejas.
Temperatura del aire (°C)
Forma de cristal
0 a –4
Láminas delgadas
–4 a –6
Agujas
–6 a –10
Columnas
–10 a –12
Láminas
–12 a –16
Dendritas, láminas
–16 a –22
Láminas
–22 a –40
Columnas huecas
Tabla I Formas de cristal para distintos rangos de temperaturas
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Al igual que en el caso de la lluvia, la nieve también puede caer en forma de
chaparrones de nieve o de manera más uniforme y contínua. En el primero de los casos la
nieve cae desde nubes cumuliformes mientras que en el segundo cae desde nubes
estratiformes como nimbostraturs o altostratus. La intensidad de la nieve se basa en la
reducción de la visibilidad horizontal al momento de la observación.
Cuando sopla un viento fuerte en superficie, la nieve puede ser levantada desde el suelo
causando una importante reducción en la visibilidad horizontal. Se denomina ventisca al
estado del tiempo que se caracteriza por bajas temperaturas y fuertes vientos (mayores
que 30 nudos) que transportan grandes cantidades nieve conformada por partículas
delgadas y secas con apariencia polvorienta y capaz de reducir la visibilidad a escasos
pocos metros.
Aguanieve y lluvia engelante
En ciertas situaciones, un copo de nieve a medida que cae eventualmente puede
encontrar aire con temperaturas mayores que 0°C y eventualmente el copo de nieve se
funde parcialmente o bien por completo transformándose en una gota de lluvia fría. En el
caso que exista una capa de aire por encima de la superficie con temperaturas menores
que 0°C, el copo de nieve parcialmente fundido o la gota de lluvia se convierte
nuevamente en hielo, pero no como un copo de nieve, sino como una pelusa de hielo
denominada aguanieve. En general, estas pelusas de hielo son transparentes (o
translúcidas) con diámetros de 5 mm o menores. Rebotan al impactar contra el suelo y
producen un ligero chasquido cuando tocan una ventana o una pieza de metal.
La capa de aire próxima a la superficie por debajo de la nube podría resultar demasiado
delgada para congelar las gotas de lluvia a medida que van cayendo. En este caso, éstas
alcanzan la superficie en forma de gotas líquidas sobreenfriadas. En cuanto chocan con
un objeto frío, las gotas se desparraman y se congelan inmediatamente, formando una
delgada lámina de hielo. Este tipo de precipitación se denomina lluvia engelante. Si las
gotas tienen un diámetro menor que 0,5 mm la precipitación se denomina llovizna
engelante. Cuando pequeñas gotas sobreenfriadas o gotas de niebla chocan contra un
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objeto cuya temperatura es menor que 0°C, las pequeñas gotas se congelan y forman una
acumulación de hielo blanco o de apariencia lechosa denominado cencellada.
Granos de nieve y nieve granulada
Los granos de nieve son granos de .hielo opaco y pequeño, son el equivalente sólido
de la llovizna. Son más bien alargados o elongados, con diámetros generalmente
menores que 1 mm. Caen en pocas cantidades desde stratus y jamás en forma de
chaparrón. Antes de chocar contra una superficie dura, nunca rebotan ni se rompen. En
cambio, la nieve granulada consiste en granos de hielo blanco y opaco con diámetros
menores que 5 mm. A veces se los confunde con granos de nieve. Sin embargo, es fácil
distinguirlos porque, a diferencia de los granos de nieve, la nieve granulada es frágil, con
aspecto como crujiente y se rompe al impactar contra una superficie dura. En general cae
en forma de chaparrón, especialmente desde cumulus congestus.
La nieve granulada es el graupel cuando éste alcanza la superficie, por lo tanto podemos
considerarlos equivalentes, es decir que se trata del mismo tipo de partícula de hielo. A
veces, en las tormentas cuando el graupel alcanza el suelo también se lo denomina
granizo blando. Durante el verano, el graupel puede fundirse y alcanza la superficie en
forma de grandes gotas de lluvia. Sin embargo, en nubes de tormenta intensas, el graupel
puede desarrollarse hasta convertirse en partículas de granizo.
Granizo
Las partículas de granizo son trozos de hielo, ya sean transparentes o parcialmente
opacos, cuyos tamaños varían desde uno comparable con una legumbre hasta otros
similares al de una pelota de golf o aún mayores. Pueden tener forma redondeada o
irregular. En los Estados Unidos de América se llegó a registrar una partícula de granizo
con un diámetro de 17,8 cm y una circunferencia de 47,6 cm. El fenómeno tuvo lugar en la
localidad de Aurora, estado de Nebraska en junio de 2003. Resulta evidente la capacidad
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destructiva del granizo de gran tamaño. Las partículas grandes pueden romper ventanas,
abollar autos, destruir techos de viviendas y causar daños generalizados al ganado y a los
cultivos. De hecho, una sola tormenta de granizo puede destruir un cultivo completo en
cuestión de minutos.
El granizo es producido en cumulonimbus –en general en tormentas intensas– cuando el
graupel, o grandes gotas congeladas de lluvia, o inclusive cualquier otra clase de
partículas (incluyendo insectos) actúan como embriones que crecen por acreción. Se
requiere de un millón de gotas de nube para formar una única gota de lluvia, mientras que
para formar una partícula de granizo del tamaño de una pelota de golf se requieren
alrededor de 10 billones de gotas de nube. Para que una partícula de granizo crezca
hasta este tamaño, debe permanecer en la nube entre 5 y 10 minutos. Dentro de la nube,
violentas corrientes ascendentes de aire transportan pequeñas partículas de hielo bien
por encima del nivel de congelación donde las partículas de hielo crecen mediante la
colisión con gotas de agua sobreenfriada. Se cree que la mejor trayectoria para el
crecimiento de una partícula de granizo dentro de una nube de tormenta es aquella que
resulta casi horizontal. Estas condiciones son más frecuentes en tormentas severas en
donde existen violentas corrientes ascendentes con rotación.
Al analizar una sección de corte de una partícula de granizo de gran tamaño, se
observan capas concéntricas de hielo blanco y translúcido. Se sabe que las partículas de
granizo crecen por acumulación de gotas sobreenfriadas. Si la partícula de granizo en
crecimiento ingresa a una región dentro de la tormenta con relativamente bajo contenido
de agua líquida (denominado régimen de crecimiento seco), las gotas sobreenfriadas se
congelarán inmediatamente sobre la partícula de granizo formando una cobertura de hielo
blanco u opaco contentiendo varias burbujas de aire. A medida que las gotas de agua
sobreenfriada se congelan sobre la superficie de la partícula de granizo, el cambio de fase
de líquido a sólido libera calor latente, el cual mantiene la temperatura de la superficie de
la partícula de granizo (la cual permanece por debajo de 0°C) por encima de la del
entorno. Mientras que la temperatura de la superficie de la partícula de granizo
permanezca por debajo de 0°C, las gotas líquidas sobreenfriadas se congelarán por
contacto conformando una cubierta de hielo escarchado, es decir blanco u opaco.
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Sin embargo, cuando las partículas de hielo ingresan en una región de la tormenta en
donde el contenido de agua líquida es mayor (denominado régimen de crecimiento
húmedo), las gotas de agua sobreenfriadas se colectarán tan rápidamente de manera tal
que, debido a la liberación de calor latente, la superficie de la partícula de granizo
permanecerá a 0°C. En adelante las gotas sobreenfriadas ya no se congelarán por
contacto, sino que esparcirán una cobertura de agua alrededor de la partícula de granizo,
llenando las regiones porosas. A medida que el agua recubre la partícula de granizo se va
congelando lentamente y las burbujas de aire logran escapar, dejando una capa de hielo
claro alrededor de la partícula de granizo. Por lo tanto, a medida que una partícula de
granizo pasa a través de una tormenta con diferentes concentraciónes de agua líquida
(los regímenes de crecimiento seco y húmedo) se forman capas alternadas de hielo
opaco y claro.
A medida que una tormenta se va desplazando, puede depositar su granizo sobre una
larga y estrecha banda (por lo general de algunos kilómetros de ancho y alrededor de 10
kilómetros de largo). En la Región Pampeana en América del Sur los agricultores suelen
denominar a estas bandas como “mangas de granizo”. Si la tormenta permanece
prácticamente estacionaria durante un período de tiempo, puede ocurrir una importante
acumulación de granizo.
Debido a los daños que causa el granizo, se han desarrollado diversos métodos para
intentar prevenir su formación en las tormentas. Uno de estos métodos se basa en la
siembra de nubes con grandes cantidades de ioduro de plata. Estos núcleos congelan a
las gotas de agua sobreenfriadas transformándolas en cristales de hielo. A su vez, estos
cristales crecen aún más a medida que toman contacto con más gotas de agua
sobreenfriada. Con el tiempo, los cristales crecen suficientemente hasta convertirse en
graupel, los cuales se convierten en embriones de partículas de granizo. Mediante la
siembra se produce entonces un gran número de embriones que se supone compiten por
las gotas remanentes de agua sobreenfriada de manera tal que ninguno de los embriones
pueda crecer hasta convertirse en grandes y destructivas partículas de granizo. Los
resultados de estos métodos de supresión de granizo aún generan controversia dentro de
la comunidad científica, sin lograrse un acuerdo en cuanto al grado de efectividad
alcanzado hasta el momento.
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Medición de la Precipitación
Cualquier instrumento que colecta y mide lluvia se denomina pluviómetro.
Pluviómetro tipo B del SMN. Esquema/foto. Definición.
(Incompleto)