Clase 5 Nubes y Precipitación

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Teresa Quintero Soto
hace 8 años
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1 Clase 5 Nubes y Precipitación

2 Preguntas claves: 1. cómo se forman las nubes? 2. por qué el aire a veces asciende? 3. qué determina el tipo de nubes?

3 Formación de nubes De la clase anterior, recordemos que desde un punto de vista macroscópico la formación de gotas de agua o cristales de hielo (i.e., nubes) requiere saturar una parcela de aire húmedo, lo cual puede alcanzarse debido a: Humidificación Enfriamiento Mezcla Este es el mas importante para formación de nubes El tamaño y numero de gotas (cristales) depende de la distribución de los NC presentes en el aire (microfísica de nubes).

4 Formación de nubes El enfriamiento (mas generalmente, cambio de temperatura) del aire puede ocurrir por varias razones: Procesos radiativos (ROC/ROL) formación de niebla Ascenso (movimientos verticales) fi formación de nubes Cambios de fase del agua

Procesos radiativos (ROC/ROL) formación de niebla Ascenso

5 Parcelas de Aire? Usaremos el nombre de parcela de aire para identificar un gran número (millones) de moléculas que se mueven en forma más o menos coherente empleando un volumen de varios metros cúbicos: un globo grande pero sin sus paredes.

6 Que sucede cuando una parcela de aire asciende? La parcela se expande debido a que la presión externa disminuye......las moléculas usan parte de su energía interna en el proceso de expansión (presionan hacia afuera)......la parcela se enfría debido a que la energía interna de las moléculas es proporcional a la temperatura de la parcela. Notar que en este proceso, no se ha sacado ni inyectado calor externo a la parcela, por lo cual se denomina proceso adiabático.

.....la parcela se enfría debido a que la energía interna de las moléculas es proporcional a la temperatura de la parcela.

7 Enfriamiento Adiabático T p =10 C p=700 hpa Pres. atmos 700 hpa Altura Parcela sube, se expande y enfria T p =25 C p=1000 hpa Pres. atmos 1000 hpa Nota: el proceso también actua a la inversa; si una parcela desciende se comprime y calienta adibaticamente

8 Gradiente adiabático (seco) Empleando la ley de gases ideales (pv=nrt) y el segundo principio de la termodinámica (dq = du + dw) se puede demostrar que en un ascenso o descenso adiabático el gradiente (cambio) de temperatura con la altura es: Γ adiabatico = g/c p = -10 C/km Esto es, por cada kilómetro de ascenso (descenso) la temperatura de la parcela disminuye (aumenta) 10 C, si el proceso es adiabático. Nota: Si el ascenso/descenso toma menos de un día la aproximación adiabática es muy buena (intercambio de calor con el medio es pequeña).

-10 C/km Esto es, por cada kilómetro de ascenso (descenso) la temperatura de la parcela disminuye (aumenta) 10 C, si el proceso es

9 Ejemplo del cambio de temperatura de tres parcelas de aire al desplazarse verticalmente siguiendo un gradiente adiabático seco (10 C/km) 5 4 Altura [km] 3 2 Γ ad Γ ad 1 0 Γ ad Temperatura [C]

gradiente adiabático seco (10 C/km) 5 4 Altura [km]

10 Nivel de Condesación por Ascenso (NCA) Cuanto debe subir una parcela para que se sature? Depende de la humedad relativa inicial (casos limite: 0% y 100%). HR = 30% HR = 50% HR = 80%

11 Una vez que la parcela alcanza su NCA, el vapor de agua se comienza a convertir en agua liquida. Este proceso libera calor dentro de la parcela. Si el ascenso continua, la parcela se continuara enfriando, pero a una taza menor que el gradiente adiabático (seco). En este caso: Γ adiabatico saturado -6.5 C/km Esto es, por cada kilómetro de ascenso (descenso) la temperatura de la parcela disminuye (aumenta) en 6.5 C.

Si el ascenso continua, la parcela se continuara enfriando, pero a una taza menor que el gradiente

12 5 4 Altura [km] 3 2 NCA Γ ad-saturado 1 0 Γ ad Temperatura [C]

13 Mecanismos de ascenso en la atmósfera NCA (a) Ascenso Orográfico (b) Convergencia Orográfica Aire Cálido Aire Frío (c) Ascenso Convectivo (d) Ascenso Frontal

14 Mecanismos de ascenso en la atmósfera

15 Estabilidad atmosférica Los mecanismos anteriores proveen el ascenso inicial del aire... que pasa despues? Esto determina el tipo y extención vertical de las nubes Ascenso Adiabático El movimiento puede ser: Estable Parcela tiende a volver a su nivel inicial Inestable Parcela continua subiendo (sin necesidad de forzamiento) Neutro Parcela se mantiene al nivel que quedo

Esto determina el tipo y extención vertical de las nubes Ascenso Adiabático El movimiento

16 Principio de Arquímedes: Cuerpos mas densos que el medio se hunden/ Cuerpos menos densos (más livianos) que el medio ascienden En un gas ideal, a presión constante, la densidad es inversamente proporcional a la temperatura: aire frío es mas denso / aire cálido es más liviano. Si T(parcela) > T(ambiente) fi parcela tiende a subir Si T(parcela) = T(ambiente) fi parcela se mantiene nivelada Si T(parcela) < T(ambiente) fi parcela tiende a bajar La estabilidad de una parcela sometida a un pequeño desplazamiento vertical (hacia arriba o hacia abajo) depende del perfil ambiental de temperatura (el cual suponemos que NO se ve afectado por el movimiento de la parcela).

Si T(parcela) > T(ambiente) fi parcela tiende a subir Si T(parcela) = T(ambiente) fi parcela se mantiene nivelada Si T(parcela) < T(ambiente) fi parcela tiende a

17 Perfil vertical real de temperatura Este perfil da cuenta de los múltiples procesos que ocurren en la atmósfera, incluyendo movimientos verticales, movimientos horizontales, mezcla turbulenta, calentamiento radiativo, etc... Temp. Obs. G ad Se pueden observar capas en que la temperatura disminuye con la altura, capas isotermales, y capas de inversión...(t aumenta con la altura)

turbulenta, calentamiento radiativo, etc... Temp. Obs.

18 Perfil ambiental de Temperatura 5 4 Γ = -13 C/km < Γ ad Altura [km] 3 2 Γ = +8 C/km > Γ ad 1 0 Γ ad Temperatura [C] Γ = -10 C/km = Γ ad Podemos distinguir varias capas en el perfil ambiental de temperatura, cada una de ellas con su propio gradiente vertical de temperatura (Γ). Para referencia hemos incluido Γ ad

distinguir varias capas en el perfil ambiental de temperatura, cada una de ellas

19 Conociendo el perfil ambiental de temperatura (radiosondeo), las condiciones en superficie (estación meteorológica) y las características del ascenso, se pueden determinar las características de la nube que se formara: NCA, tope, etc. Para eso, los meteorólogos emplean un diagrama termodinámico (o una versión computarizada de este): Si la capa es estable, la parcela ascenderá hasta donde alcance el forzamiento. Si el forzamiento termina, la parcela desciende y la nube se disipa. Si la parcela alcanza una capa inestable, su ascenso continuara independiente del forzamiento hasta que alcance una altura en que Tp=Ta

Para eso, los meteorólogos emplean un diagrama termodinámico (o una versión computarizada de este): Si la capa es estable, la parcela ascenderá hasta

20 Ejemplo 1: Aire en superficie (con NCA a 1.5 km) es levantado por ascenso orografico hasta los 2 km stratus Km Temperatura (C) NCA Estable (Tp<Ta)

los 2 km stratus 9 8 7 6 Km 5 4 3 2 1 0-40

21 Ejemplo 2: Aire en superficie (con NCA a 2 km) es levantado por ascenso frontal hasta los 5 km Nimbo Km Nivel de Convección Libre Inestable (Tp>Ta) 2 1 NCA Estable (Tp<Ta) Temperatura (C)

22 Ejemplo 3: Aire sobre la superficie de una isla se calienta durante el día hasta 33 C (con NCA a 1 km) CumuloNimbus Km Inestable (Tp>Ta) Temperatura (C) NCA

23 Ejemplo 4: Aire sobre la superficie de una isla se calienta durante el día hasta 30 C (con NCA a 1 km) CumuloNimbus Km Temperatura (C) NCA Inestable (Tp>Ta)

24 Ejemplo 4: Aire sobre la superficie de una isla se calienta durante el día hasta 30 C (con NCA a 2 km) Cumulos (altura variable) Km Estable (Tp<Ta) Temperatura (C) NCA Inestable (Tp>Ta)

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