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FISICA DE NUBES
• Hasta el siglo pasado, la observación de un
cielo repleto de nubes constituía una de las
fuentes de información más relevantes para
prever el tiempo atmosférico. El uso de
computadoras e imágenes obtenidas por
satélite ha favorecido que muchos
contemporáneos nuestros desconozcan el
significado de las formaciones nubosas y la
información que proporcionan. Es una lástima,
porque las formaciones nubosas y su
evolución permiten aún hoy en día emitir un
buen reporte meteorológico a escala local y
establecer un pronóstico bastante acertado
para las próximas horas .
• La lluvia, la nieve y el granizo, también las nubes y la
niebla, constituyen muestras evidentes de que hay
agua en el aire. En cambio, al contemplar el cielo
despejado y azul intenso de un día soleado, ya no
resulta tan sencillo concebir que ese aire nítido
como el cristal también contiene agua.
• Así es, el aire jamás está seco por completo ¿porqué
no notamos su presencia? A diferencia del uso que
se le da en el lenguaje común, el vapor de agua en
la atmósfera, es mucho más que agua en estado
gaseoso, es un elemento constitutivo del aire
absolutamente invisible, incoloro e inodoro.
• El aire sólo puede contener una cantidad máxima
determinada de vapor de agua, la cual se denomina
humedad de saturación y es, claramente, mayor a
temperaturas elevadas que a temperaturas bajas.
La humedad de saturación aumenta rapidamente a
medida que aumenta la temperatura.
• El aire no tiene que contener la máxima cantidad de
vapor de agua, también puede albergar menos ,
pero no podrá contener más.
• Cuando el aire pierde el exceso de vapor de agua
sólo lo puede hacer por medio de la condensación;
es decir por medio de gotitas.
• La temperatura a la que se produce la condensación
se denomina temperatura termodinámica del punto
de rocío o, abreviado, punto de rocío.
• Si el aire se enfría por debajo del punto de rocío,
pierde la capacidad de conservar el vapor de agua
que contiene. Entonces tiene que deshacerse de
parte de él, lo que significa que el vapor de agua
sobrante se condensa y se desprenden las gotitas
minúsculas que surgen en el proceso.
• La atmósfera libre también puede experimentar
enfriamientos que den lugar a condensación. En
meteorología se entiende por atmósfera libre
aquella región de la atmósfera que no está influida
por la superficie terrestre ni por nada de lo que hay
en ella. Las gotitas microscópicas de agua que
aparecen en la atmósfera libre se quedan
suspendidas en el aire y se tornan visibles en forma
de nubes (o de niebla).
• Por desgracia (o fortuna), la naturaleza de la
condensación en la atmósfera libre no es tan
sencilla como la condensación sobre superficies
sólidas. Pero en esencia, sigue siendo válido el
proceso.
• En este caso la condensación también se manifiesta
por medio de gotitas insignificantes que quedan
flotando en le aire. Pero, se enfrentan a una
dificultad: apenas se forman actúa sobre ellas una
fuerza llamada tensión superficial, que tiende a
encoger con fuerza la superficie de las gotas. Esto
incrementa la presión en el interior de las gotas y,
como consecuencia, las moléculas de agua
experimentan un empuje a través de la superficie
de las gotas hacia el exterior y se pierden en el
entorno. Con ello las gotas se vuelven cada vez más
pequeñas, hasta que no queda nada de ellas. Se
pensaría que se hanevaporado.
• Sin embargo, nosotros vemos las nubes en el cielo.
¿Cómo es que se forman?
• En la aparición de las nubes intervienen diminutas
partículas de polvo que pululan por la atmósfera en
cantidades inimaginables. Incluso en los lugares de
la tierra con mayor pureza en el aire hay alrededor
de 100 de estas partículas por cm3. El aire
contaminado de las ciudades contiene hasta i millón
de ellas por cm3. Su diámetro asciende a una
milésima de mm, pero hay de tamaños aún
menores. En Meteorología se les denomina
aerosoles.
• Las partículas que forman los aerosoles consisten
en gran medida de cristales de sal liberados por los
incendios forestales y combustiones artificiales,
como calderas de calefacción y motores de
vehículos, o procedentes de cenizas volcánicas,
partículas de suelo levantadas por el viento o de la
espuma de los mares.
• Las sales tienen una propiedad destacada: atraen el
agua. Así, con el tiempo se forman gotitas
diminutas sobre las que vuelve a actuar la tensión
superficial. Sin embargo, al existir la sal, también
existe la adherencia a ella y esta es mayor que
aquella.
• Al contrario, la sal sigue captando vapor de agua
adicional de forma que las gotitas de agua crecen
cada vez más hasta alcanzar un diámetro de entre
10 y 20 micrómetros o, en nubes muy nutridas,
incluso entre 50 y 200 micrómetros. Los cristales de
sal que de este modo complejo permiten la
formación de gotitas en la atmósfera libre y la
aparición de nubes, se denominan núcleos de
condensación.
• No solo la condensación del agua resulta más difícil
en la atmósfera libre que en las superficies sólidas.
También la transformación de las gotitas de agua en
cristales de hielo se rige por leyes más sutiles. De
ahí que las nubes alberguen a las denominadas
gotas de agua sobreenfriadas. Se trata de gotitas de
agua que, a pesar de estar a temperaturas inferiores
a 0°C , se mantienen en estado líquido. Los
sobreenfriamientos de -10°C son bastante normales
y hasta -35°C se han observado.
• Las gotas de rocío parecen transparentes; sin
embargo esta característica no es compartida por
las nubes. Si las gotitas de la nube así lo fueran,
sería difícil observar las nubes; en cambio, al mirar
el cielo, no sucede así ¿Porqué?
• Depende del tamaño. Si bien las gotas de rocío
pueden llegar a medir lo suficiente para ser
apreciadas a simple vista, las de las nubes pueden
llegar a medir entre 20 y 50 micrómetros. Las gotas
de ese tamaño se tornan visibles gracias al
esparcimiento de la luz.
• El esparcimiento es un fenómeno habitual, se manifiesta
cuando el haz de luz forma un reflejo visible en aire
polvoriento o al reflejarse en las gotitas de la niebla.
• El esparcimiento se produce siempre que un rayo de luz se
topa con partículas muy pequeñas (o con superficies
formadas por estructuras muy tenues).
• Se produce cuando parte de la luz incidente se desvía en
distintas direcciones. Las partículas se tornan visibles
cuando se mira en contra de la fuente de luz. Cuando se
juntan muchas partículas causantes de esparcimiento, el
caso de las nubes, se tiene la sensación de que hay una
superficie brillante continua, como la presentan las nubes.
• Las partículas nubosas se tornan manifiestas
cuando su diámetro supera las longitudes de onda
de las luz visible: a partir de 0.5micrómetros.
Formación de las nubes
• Hay toda una serie de procesos que elevan o
provocan el ascenso de volúmenes de aire
aislados, delimitados, como las llamadas
bolsas de aire, celdas, células, parcelas, o bien
de capas de aire muy extensas.
Por convección
• A causa de la radiación solar, la superficie se
calienta; sin embargo, el calentamiento
depende del tipo de suelo, grado de
exposición , vegetación o aislamiento. Por
ejemplo, al mediodía en pleno verano se
registran las siguientes temperaturas:
Tabla
• El aire situado inmediatamente sobre la superficie
terrestre adopta la temperatura del suelo y, con ello los
volúmenes de aire caliente y frío permanecen en
contacto muy estrecho.
• El aire en contacto con el asfalto tendrá una
temperatura de 48°C y, es aproximadamente 8% más
ligero que el aire a 28°C. Como consecuencia el aire
más caliente empieza a ascender en forma de bolsas de
aire . En meteorología a este proceso se le denomina
convección. Durante el ascenso, las parcelas
experimentan un enfriamiento paulatino hasta alcanzar
la temperatura del punto de rocío, momento en que
comienza la condensación y se forma la nube.
• La altitud a la que se produce la condensación se
denomina nivel de condensación. Se puede concebir
como una superficie plana y horizontal, el límite
inferior de las nubes que se forman en él parece
cortado a cuchillo y pertenecen al género cúmulos.
• El nivel de condensación se puede calcular por medio
de un radiosondeo, pero se puede establecer una
sencilla regla: a mayor sequedad y mayor temperatura,
más alto nivel. Con -10°C (a 2 m de altura)y HR=30%, la
condensación comienza a 1700m. Con un aire igual de
seco pero a 30°C, se inicia a 2300m.Con aire muy
húmedo, 90%, el vapor de agua se condensa a alturas
de aproximadamente 200m. Con 100% de HR, solo
podemos encontrarnos dentro de una nube.
• Las celdas de aire pueden medir entre 200 y 500m
de diámetro, pero también pueden llegar a medir 1
km, y se elevan con una rapidez que ronda entre 3 y
5 m/s.
• A cada bolsa de aire ascendente la sigue otra poco
tiempo después (por lo general en solo unos
minutos). En la mayoría de los casos, cada bolsa de
aire se eleva más deprisa que la anterior, de manera
que le da alcance. De esta forma, no tarda en
formarse una columna de aire ascendente que
recibe el nombre de corriente térmica.
Por turbulencia
• Cuando el viento choca con algún obstaculo se
forma un remolino de aire llamado remolino
de sotavento. Como el aire es transparente, es
difícil verlo. Pero en laboratorio es posible
reproducir este fenómeno.
• En la naturaleza es posible que se presente a
causa de hojas, ramas y da origen a pequeños
remolinos que se perciben en forma de
silbidos, zumbidos o ululatos.
• Obstáculos mayores, árboles, casas, lineas de
montes, lomas y otras formaciones
topográficas producen remolinos más grandes
que se manifiestan como golpes repentinos de
viento o cambios inesperados en su dirección:
rachas de viento.
• Los remolinos se desprenden del obstáculo
uno tras otro y son arrastrados por la
corriente, por tanto, el aire siempre contiene
gran cantidad de remolinos de dimensiones
diversas, Este estado de flujo se denomina
turbulencia.
• Cuando las parcelas de aire se elevan de este modo
hasta el nivel de condensación, esta comienza y
surge una nube. Cabría esperar una frontera inferior
bien marcada; sin embargo no es así. Los remolinos
se mueven en todas direcciones de la nube recién
formada y, adopta la forma de una borra de
algodón, donde no se aprecian ni una delimitación
ni un perfil bien definidos.
• La turbulencia es una de las causas más frecuentes
para la formación de nubes en la atmósfera baja,
incluso se podría decir que la más frecuente. Da
lugar a stratucumulos.
Capas de aire adyacentes a
montañas y masas de aire.
• Con frecuencia se produce de capas de aire
extensas e ininterrumpidas como cuando el
aire se ve obligado a superar una montaña. La
cual puede ser un macizo como la Sierra
Madre o, aún una cordillera de menor
tamaño. Según la altura de la montaña que se
interponga en el camino de la corriente,
pueden llegar a formarse masas nubosas muy
grandes.
• Las masas de aire frío también pueden comportarse
como sólidos obstáculos pétreos. Cuando el aire
caliente choca contra estas montañas de aire frío,
sube como por un plano inclinado hasta situarse
por encima del aire frío, y se originan extensos
campos de nubes. Se dice que el aire se desliza. Las
laderas de estas montañas de aire frío presentan
una pendiente extremadamente suave: los valore
suelen situarse entre el 0.02 y el 0.05%. Además el
deslizamiento dura muchas horas o incluso días, de
esta manera, el tipo de nubosidad que se produce
es estratiforme en una capa ininterrumpida.
• El caso opuesto: el aire frío se resbala por debajo
del aire caliente y lo levanta abruptamente, creando
masas de nube muy altas.
• Estos dos procesos ocurren por el paso de zonas de
baja presión.
Por aire frío infiltrado en la altura
• Si el aire frío que se aproxima avanza más
rápidamente en las capas altas que en
superficie, en la superficie de contacto el aire
caliente se empieza a enfriar, y se alcanza el
punto de rocío, de modo que surgen bancos
horizontales de nubes del tipo altocúmulos.
De forma importante también, se realza la
convección y puede haber importante
desarrollo de nubes.
Formación de ondas por
obstáculos ante corrientes
• También conocidas como ondas a sotavento.
• La turbulencia también da lugar a nubes muy características.
Suceden cuando el viento incide en las faldas de las
montañas. Debido a la inercia del aire al ser empujado hacia
arriba supera la cima de la montaña, pero al pasar este
obstáculo pierde sustentación y se ve obligado caer a niveles
aún inferiores al original, donde es nuevamente (por las leyes
de conservación) empujado hacia arriba. Este proceso se
repite muchas veces al mismo tiempo que el aire se traslada
horizontalmente, creando un patrón ondulado regular que en
Meteorología es conocido como ondas a sotavento.
• Con cada impulso hacia arribase da un enfriamiento
del aire, y con el descenso subsecuente se
desvanece debido al calentamiento.
• Las nubes originadas de este modo se distribuyen
de manera irregular y, a diferencia de otras nubes
que se mueven con la corriente, estás permanecen
estáticas aunque cambian sin cesar de tamaño y
forma.
Ondas en superficies limítrofes
entre capas de aire frío y caliente
• Las ondas surgen cuando se superponen dos
medios de distinta densidad fluyen a
diferentes velocidades. En la atmósfera esto
sucede cuando aire caliente ligero se desplaza
sobre aire frío y pesado. Las nubes se forman
por un proceso similar a las ondas de
sotavento.
Ascenso de capas de aire húmedo
por el desarrollo de nubes situadas
debajo de él
• En el interior de las nubes cumuliformes imperan
corrientes ascendentes bastante intensas: 20km/h
es un valor muy normal. En nubes de tormenta bien
desarrolladas, los 100 km/h no son ninguna
excepción. Estos vientos ascendentes captan,
elevan y, con ello enfrían el aire situado sobre la
nube. Si en el proceso se ve involucrada una capa
de aire muy húmedo, puede ocurrir que el vapor de
agua se condense. Entonces da la impresión de que
el cúmulo porta un gorro o casquete (pileus).
• Si el desarrollo de la nube se prolonga durante
tiempo suficiente, el pileus queda completamente
por ella y al final desaparece sin dejar rastro en la
nubosidad
• En resumen: cuando predomina el
movimiento vertical surgen nubes
cumuliformes que, en ciertos casos, pueden
evolucionar hasta estratificarse. Cuando
predomina el movimiento horizontal surgen
nubes estratiformes.
Expansión
Inversión térmica
• Cuando las nubes se desarrollan por turbulencia o
por procesos de deslizamiento, su desarrollo
posterior se rige por las mismas regularidades:
cuanto más rápido desciende la temperatura en la
atmósfera libre, más se desarrollan las nubes.
¿Cuándo sucede así?
• Simplificando: cuando predominan zonas de bajas
presiones desciende deprisa la temperatura; las
altas presiones implican buen tiempo, con pocas
nubes horizontales o ninguna en absoluto.