Apuntes Complementarios de las Clases Teóricas Unidad 5: Precipitación

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1 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.

2 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

3 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 : a 1 :

4 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

5 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

6 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

7 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

8 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 Resulta evidente la capacidad

9 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.

10 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.

11 Medición de la Precipitación Cualquier instrumento que colecta y mide lluvia se denomina pluviómetro. Pluviómetro tipo B del SMN. Esquema/foto. Definición. (Incompleto)