Tema 5. Mecanismos de Condensación. Precipitación

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1 Tema 5. Mecanismos de Condensación. Precipitación 1 Condensación Es el paso del agua de estado gaseoso a líquido cuando la presión de vapor de agua (PV) es mayor que la presión de vapor de saturación (PVS). Este hecho puede producirse por que aumente PV o por que descienda PVS. La causa fundamental de un descenso en PVS son los descensos de temperatura. Los mecanismos de enfriamiento de la atmósfera pueden ser varios: Mezcla de masas de aire húmedo a diferente temperatura, Contacto con una superficie fría, Enfriamiento adiabático, que es el más efectivo. Durante el proceso de condensación se desprende energía equivalente al calor latente de vaporización Además, es necesario que existan núcleos de condensación sobre los que puedan formarse las gotas, son las denominadas partículas higroscópicas por su capacidad para absorber humedad. En caso de que no existan particulas de este tipo, el agua puede permanecer en forma de vapor incluso cuando PV>PVS, por otra parte la condensación puede iniciarse sobre núcleos higroscópicos antes de llegar a la saturación. Los nucleos de condensación son aerosoles de muy diversos tipos. Los mejores son las partículas de sal, procedentes del oceano, y los productos de la combustión (volcanes o actividad industrial). Los peores son los procedentes del polvo terrestre, mientras que los de origen vegetal dan mejores resultados. 1

2 2 Formas de condensación Existen dos formas fundamentales de condensación: las nieblas que se ligan a condiciones de estabilidad y por tanto falta de turbulencia y las nubes que aparecen en condiciones de inestabilidad. 2.1 Nieblas -Radiación, por descenso de la temperatura del aire en contacto con el aire frio por una inversión térmica en superficie. Primero se origina rocio o escarcha y a continuación niebla. Cuando avanza el dia, el suelo se calienta por radiación y calienta el aire por conducción por lo que la niebla se disipa desde la base hacia arriba (la niebla se levanta ). -Advección, por enfriamiento de las capas de aire cuando se desplazan horizontalmente sobre una superficie generalmente marina. Puede ser aire frio moviendose sobre una superficie cálida o aire cálido sobre una superficie fria. En el primer caso el agua caliente se evapora y se condensa en contacto con el aire más frio formando columnas de nible, similares a humo, que muestran la turbulencia del aire. En el segundo caso, el aire cálido es enfriado por conducción en sus capas bajas dando lugar a una inversión térmica y condensación. -Industrial, la adición al aire de partículas higroscópicas de origen industrial facilita la presencia de nieblas densas con humedades relativas inferiores al 100%. Cuando se mezclan con humo se forma una niebla muy densa que es el smog. 3 Nubes Son las principales formas de condensación. Se trata de un volumen de aire que se hace visible por contener muchas y minúsculas gotas de agua y cristales de hielo (unas por cm ) que flotan en el aire. Se originan por condensación y sublimación que se produce en la atmósfera sobre ciertas partículas sólidas microscópicas que se denominan núcleos de condensación y sublimación. Por su constitución física, las nubes se clasifican en: líquidas, de cristales de hielo, heladas (formadas por gotas de agua congeladas) y mixtas 2

3 Por su evolución se denominan locales o emigrantes. En las primeras todas sus etapas tienen lugar a la vista de un observador fijo sobre la superficie terrestre (son las de origen convectivo en verano), en las segundas se desarrollan al mismo tiempo que se desplazan de un punto a otro del horizonte. Por su altitud se clasifican en altas (5-13 Km), medias (2-7 Km) y bajas (menos de 2Km). Atendiendo a la relación entre su dimensión vertical y su extensión horizontal, se pueden clasificar en estratiformes y cumuliformes. En las primeras la dimensión vertical es muy reducida con respecto a la horizontal. Las cumuliformes tienen una dimensión vertical semejante a las estratiformes o mayor. Las nubes cumuliformes genuinas son las llamadas de desarrollo vertical: Cumulus y Cumulonimbus. Existe una clasificación internacional de nubes basada en la existencia de diez tipos principales denominados géneros, estos se pueden dividir en especies, Los diez generos son: Cirros (Ci): Nubes filamentosas blancas y brillantes situadas entre 7 y 9 Km de altitud. Formadas por cristales de hielo. Cirrostratos (Cs): Velo nuboso traslúcido de color blanco brillante y aspecto fibroso. Cubren total o parcialmente el cielo apareciendo fenómenos de halo. Entorno a 8 Km de altitud. Formadas por cristales de hielo. Cirrocúmulos (Cc): Banco de nubes blancas formadas por elementos muy pequeños en forma de gránulos u ondas y dispuestos regularmente. H,M Altostratos (As): Manto nuboso gris-azulado de aspecto estriado, fibroso o uniforme que cubre total o parcialmente el cielo dejando partes lo suficientemente delgadas como para poder ver el sol. No presenta fenómenos de halo. Mixta Altocúmulos (Ac): Nubes blancas o grises generalmente con sombra propia compuestos por láminas o pequeñaos cúmulos de aspecto fibroso o difuso que pueden aparecer soldados o no. Formada por agua líquida. Nimbostratos (Ns): Capa nubosa gris sombría de aspecto borroso debido a las precipitaciones que produce. Por su espesor suele ocultar el sol. Por debajo aparecen nubes bajas desgarradas. L,H,M. Puede considerarse como un estrato muy espeso. 3

4 ESTRATIFORMES CUMULIFORMES ALTAS Cs Ci Cc MEDIAS As Ac BAJAS St Ns Sc C Cb Tabla 1: Clasificación de nubes Estratocúmulos (Sc): Banco de nubes grises o blanquecinas con partes oscuras. Formada por agua líquida. Puede considerarse como un estrato formado por pequeños cúmulos. Estratos (St): Capa nubosa gris con base uniforme que da lugar a lloviznas. Formada por agua líquida Cumulus (Cu): Nubes separadas, densas y con contornos bién delimitados se desarrollan verticalmente con formas redondeadas. Las partes iluminadas por el sol tienen un blanco muy brillante mientras la base permanece oscura. Formadas por agua líquida. Cumulonimbos (Cb): Nube densa con importante desarrollo vertical en forma de montañas. Una parte de su sector superior es generalmente lisa, fibrosa o estriada. Se extiende en forma de yunque o penacho. Por debajo aparecen nubes desgarradas. Mixta El tipo de nube que aparezca va a depender fundamentalmente del mecanismo de ascenso que la ha generado. Por ejemplo cuando el mecanismo es una cadena montañosa, aparecen junto a la linea de cumbres nubes en forma de gorro que vistas desde sotavento tienen la apariencia de un muro (muro foehn), mientras que viento abajo aparecen nubes lenticulares debidas al movimiento rotatorio que adquiere el aire al traspasar la cadena montañosa. 4 Inestabilidad condicional y condensación La inestabilidad condicional se produce cuando la curva de estado se situa entre los gradientes adiabáticos seco y saturado. Si el aire inicialmente seco se ve obligado a ascender por un impulso exterior, se enfriará según el gradiente seco, cuando alcanza la temperatura del punto de rocio se satura marcando la base de la 4

5 nube y, si sigue ascendiendo, pasa a perder tempertura según el gradiente adiabático saturado. Si el aire sigue ascendiendo, el gradiente adiabático saturado se cruza con la curva de estado en lo que se denomina nivel de convección libre, a partir del cual no es necesario ningún impulso exterior y el aire saturado es capaz de subir sólo ya que es más cálido que el entorno. Si más arriba se vuelven a cruzar ambas lineas el aire deja de ascender y se alcanza la cima de la nube 5 Precipitación Expresa todas las formas de humedad caídas en estado sólido o líquido sobre el suelo. Las nubes son la fuente principal de precipitación aunque la mayoría de ellas no originen precipitación. Las gotas de lluvia tienen un diametro medio de 1 mm, por ello en circunstancias normales no pueden vencer las corrientes ascendentes. Sólo el aumento de tamaño puede provocar precipitación. Existen dos procesos que explican este aumento de tamaño: Teoría de Bergeron-Findeisen: La presión de vapor de saturación es más pequeña sobre el hielo que sobre le agua. Si en una nube aparecen gotas de hielo, el vapor de agua tiende a depositarse sobre el hielo. Una vez formados los minúsculos cristales de hielo, estos crecen rápidamente por condensación. Los cristales de hielo tienden a astillarse por efecto de las corrientes de aire lo que incrementa su número. Por ortra parte los cristales de hielo pueden unirse debido a su forma dendrítica. Cuando la velocidad de caida del hielo sobrepasa las corrientes de aire ascendente el copo de nieve cae y se transforma en lluvia si atraviesa una capa de aire con temperatura mayor de 0 C suficientemente espesa. Basados en esta teoría se han hecho experimentos de siembra de nubes subenfriadas con nucleos de condensación. Los resultados parece que sólo son positivos en nubes orográficas. El desencadenamiento prematuro de la precipitación puede incluso destruir las ráfagas ascendentes de aire y disipar la nube sin embargo no existen resultados concluyentes. Procesos de colisión y coalescencia: El movimiento de las gotas de agua en las nubes origina colisiones entre las mismas que contribuyen a unirlas y portanto a aumentar su tamaño medio. Por otra parte la velocidad de caida de las gotas de agua tiene una velocidad límite proporcional a su diámetro, de este modo las gotas mayores caen más rápido que las pequeñas arrastrándolas. Las gotas más 5

6 Hidrometeoro Rado (mm) Velocidad terminal ( Gota de nube Llovizna Gota de lluvia Nieve ) Tabla 2: Características de los hidrometeoros pequeñas son apartadas a un lado. La turbulencia y la electrificación en las nubes cumuliformes tiende a incrementar el proceso de coalescencia. Este último es el proceso fundamental en las nubes cálidas de latitudes bajas o las de tipo convectivo de latitudes medias donde la temperatura no llega a descender por debajo de los. 6 Tipos de precipitación En función del tipo de proceso que desencadena el ascenso de aire:, las precipitaciones pueden clasificarse en: Ciclónica o frontal. Se produce por el ascenso de masas de aire por convergencia de masas de aire de distinta temperatura en un sistema de bajas presiones. La masa de aire frío penetra por debajo de la de aire cálido y la eleva con lo que se enfría adiabáticamente pudiendo producir precipitaciones. Se producen precipitaciones moderadas o fuertes y continuas sobre areas muy extensas a medida que se mueven hacia el Este. El frente polar es el responsable de la mayor parte de las precipitaciones entre 40 y 65 de latitud Norte. Precipitación por convergencia. Tiene su origen en el ascenso de aire por convergencia de dos masas de aire de características similares en la Zona de Convergencia Intertropical. Precipitación convectiva. El intenso calentamiento del suelo en verano se transmite a las capas de aire más cercanas a este, constituyendo el mecanismo desencadenante de un movimiento ascendente del aire que lleva a la formación de nubes 6

7 de tipo cúmulo o incluso cumulonimbo que pueden producir intensas precipitaciones. Precipitación orográfica. Las montañas tienen un mecanismo propio de producir precipitación en situaciones de inestabilidad condicional debido a su capacidad para elevar el aire, produciendo las lluvias orográficas en sentido estricto (llueve más en las vertientes que en las llanuras). Por otro lado produciendoincrementar la inestabilidad del aire pueden contribuyen 7 Formas de precipitación La forma en que se produce la precipitación, junto a la estructura térmica de la capa de aire situada bajo la atmósfera van a condicionar la forma (sólida o líquida) de la precipitación. Por otra parte, la humedad de dicha capa condiciona la evaporación que se produce y determina el tamaño final de las gotas de lluvia. Todas las formas de precipitación se conocen con la denominación general de hidrometeoros, estos se dividen en dos categorías: Precipitaciones verticales: lluvia, granizo, nieve. Precipitaciones horizontales u ocultas: rocío, escarcha, cencellada blanca (niebla congelada). La forma más común es la lluvia que se clasifica dependiendo de la forma en que se produce en: Llovizna ( y ) Lluvia ( y ) Chubasco ( y!" ) La nieve son cristales de hielo hexagonales agrupados en copos. Se forman a temperaturas muy bajas, para que no se licuen antes de llegar al suelo es necesario que la temperatura entre este y a nube sea inferior a y para que no se sublimen, que la humedad relativa se mantenga entorno al 100%. La velocidad de caída depende del peso de los copos, pero debido a que la densidad de los copos de nieve es muy baja, su reparto está muy influido por el régimen de vientos. 7

8 La nieve forma un manto continuo que desaparecerá si la tasa de fusión (debida a la temperatura) es superior a la tasa de precipitación en forma de nieve, pudiendo originarse un tapiz continuo de nieve incluso aunque la tasa de precipitación nival sea baja. El límite de nieve perpetua depende de la altitud. El granizo son esferas de hielo duro con diámetro variable entre 5 y 50 mm y estructura en forma de capas concéntricas. Se origina por violentos movimientos de convección desde donde caen en intensos chaparrones. Suele ocurrir en latitudes medias y en el interior de los continentes debido a la fuerte inestabilidad atmosférica debida al calentamiento superficial. 8 Tormentas Se trata de intensas precipitaciones de origen frontal ligadas a (depresiones sinópticas), convectivo (por ascenso térmico), orográfico o una combinación de los mismos. Están en todo caso provocadas por un ascenso continuado de aire que, si está suficientemente húmedo, se condensa dando lugar a densas nubes de tipo cumuliforme que producen intensas precipitaciones. Sea cual sea la causa generadora del episodio lluvioso se observa que el proceso es altamente no estacionario y variable en el tiempo y el espacio. Una representación aproximada de los campos de lluvia puede describirse como un conglomerado aleatorio de elementos en diferentes estados de desarrollo. Estos conglomerados se desplazan de forma aleatoria pero dirigida por el régimen general de vientos. Generalmente aparecen grupos de varias células tormentosas, cada una en una fase de desarrollo diferente. El resultado, por lo que se refiere a la precipitación es una gran variabilidad en la intensidad de la lluvia en intervalos de tiempo menores de 1 minuto e intervalos espaciales menores de 1 Km. Pueden destacarse 3 escalas de trabajo: Areas sinópticas (#%$'& ( Areas mesoescalares (MSA) ( *#+,& ) y uno a varios días de duración). ( ) ) se generan dentro de las áreas sinópticas (entre 1 y 6 con un período de vida de algunas horas). Se mueven siguiendo los desplazamientos del área sinóptica, a veces más rápido que ella. 8

9 .- Areas de cúmulos convectivos (& ) ) se generan y disipan dentro de las MSA por la tendencia de las nuevas celdas a generarse en las proximidades de las anteriores. Estas tres escalas de trabajo aparecen sólo en tormentas de tipo ciclónico muy extensas en el espacio y el tiempo. Las tormentas convectivas aparecen como agrupaciones de cúmulos convectivos. Tienen un ciclo vital corto de apenas dos horas. Las tormentas tienen un ciclo vital corto de apenas dos horas que cubre tres fases: -Fase de cúmulo. Una porción de aire es impulsada hacia arriba por estar más caliente que su entorno o por un mecanismo orográfico, aparecen por tanto ráfagas ascendentes de aire cálido que se enfría siguiendo el gradiente adiabático del aire seco. Cuando este aire alcanza la saturación, el descenso térmico es más lento (gradiente adiabático del aire saturado) con lo que se incrementa el desequilibrio térmico entre la masa de aire y el entorno, alcanzándose velocidades de ascenso de 10 m/s y hasta 30 m/s que no se reducen mientras la masa de aire sea más cálida que el entorno. Este ascenso del aire saturado supone un crecimiento vertical de la célula tormentosa, formándose un cúmulo y finalmente un cumulonimbo. Cuando, debido a este crecimiento vertical el aire saturado alcanza temperaturas de congelación formándose cristales de hielo con lo que se inicia el proceso de Bergeron formándose gotas de lluvia cada vez mayores que son sostenidas por las corrientes de aire ascendentes. -Fase de madurez. A medida que la humedad atmosférica cambia de estado, va disminuyendo el aporte de calor latente con lo que pierden potencia las corrientes ascendentes, a esto se añade el peso cada vez mayor de las gotas de lluvia y el resultado es la caida de estas, iniciandose el proceso de coalescencia y apareciendo corrientes de aire descendente que se esparcen por debajo de la célula tormentosa. -Fase de disipación. Las rachas de aire descendente se hacen predominantes y la célula tormentosa se disipa. Cada uno de estos cúmulos tiene una región de entrada de aire cálido y húmedo cercana al suelo, una región de elevación en el centro del cúmulo que lleva el aire húmedo hacia la altura de condensación, y una región de salida de aire frio y seco por la parte alta. La altura de estas células convectivas oscilan entre 8 y 16 Km y en algunos casos penetran en la estratosfera, su área suele ser de unos pocos kilómetros cuadrados. Por lo que se refiere a la distribución espacial de la precipitación durante un episodio lluvioso, generalmente, aparecen grupos de varias células tormentosas indi- 9 (

10 vicuales, cada una con una fase de desarrollo diferente. Para estudiar su comportamiento en un episodio determinado es necesario utilizar el radar meteorológico. 9 Distribución mundial de la precipitación Cada año, 973 mm de precipitación caen sobre la superficie terrestre repartidos desigualmente en el espacio y el tiempo. La disposición de los principales centros de acción ligados a la Circulación Generla Atmosférica originan una primera división de la superficie terrestre en una serie de zonas con regímenes pluviométricos característicos: Régimen ecuatorial Un cinturón de fuertes lluvias y escasa variabilidad estacional entorno al Ecuador. La continuidad de la precipitación se debe a que, a pesar de los movimientos estacionales, la zona de convergencia intertropical está siempre sobre esta zona. Régimen tropical Dos cinturones entre & y / de altas precipitaciones concentradas en una estación lluviosa (cuando la ZCIT se sitúa en la vertical) y una seca (cuando en la vertical se sitúan los anticiclones). 10 Cinturones secos alrededor de los y debido a la presencia de las células subtropicales de alta presión durante la mayor parte del año. Franjas situadas en latitudes medias entre 5 y con abundantes precipitaciones ligadas a los ascensos del aire en el frente polar. Estas precipitaciones son máximas en las fachadas occidentales de los continentes y se reducen hacia el interior. Régimen polar. Estos rasgos generales, originados fundamentalmente por factores astronómicos y meteorológicos, se ven modificados por factores geográficos como: 243 Sistemas de viento mesoscálicos combinados (brisas-vientos de valle) Débil capacidad higrométrica en el interior de los continentes Localización y disposición de los relieves montañosos 10

11 Las variaciones anuales están muy ligadas a los movimientos estacionales de la Circulación General Atmosférica, las variaciones diarias son más complejas y aleatorias. Sin embargo, en general el máximo de precipitación aparce por la tarde en las regiones donde las precipitaciones son fundamentalmente de origen convectivo y por la noche donde las lluvias se deben fundamentalmente a la influencia marina. 10 Métodos de estudio de la precipitación El instrumento fundamental de medida de la precipitación es el pluviómetro totalizador. El pluviógrafo (de banda o cazoleta) registra la intensidad de la precipitación y su evolución en el tiempo. Finalmente los radares meteorológicos permiten estudiar la variabilidad espacial de la precipitación Técnicas estadísticas Climatología analítica clásica Correlación respecto a otras variables Probabilidad de sequías o precipitaciones extremas Análisis temporal de episodios lluviosos Yetograma Curva intensidad duración Análisis espacial de la precipitación, mapas de isoyetas 10.2 Balance hídrico Los modelos de balance hídrico, pretenden abordar el comportamiento del agua en la superficie y en el suelo a partir de datos generalemente mensuales. La ecuación fundamental del balance hídrico es 6'789;:;9=< 11

12 Se pueden plantear modelos de balance hídrico desde muy simples a muy complejos, pero todos se basan en esta ecuación. Como datos básicos necesitamos dos variables: Precipitación ETP y dos parámetros que, en principio, permanecen constantes en el tiempo: Coeficiente de escorrentía (porcentaje de la lluvia que se transforma en escorrentía) Capacidad de almacenamiento (cantidad de agua que puede ser almacenada en el suelo) 10.3 Radares Son sistemas activos de teledetección provisotos de sensores que trabajan en la región de las microondas del espectro electromagnético (0.1-1 m). Emiten un haz energético propio que reciben tras su reflexión sobre la superficie observada. Existen dos tipos fundamentales de radares, los destinados a la meteorología y climatología que utilizan, una longitud de onda muy sensible a la presencia de agua o hielo en la atmósfera; y los destinados a topogafía que utilizan longitudes de onda mayores que no interactúan con ninguno de los componentes de la atmósfera. Los primeros suelen ser fijos y situados en tierra, los segundos son móviles y se sitúan sobre aviones o satélites. Existen también radares meteorológicos situados sobre aviones, son los "cazadores de huracanes a mericanos. El radar meteorológico emite un impulso de radiación y recoge el eco que resulta tras rebotar con gotas de agua o cristales de hielo en la atmóosfera. Se puede medir con precisión el tiempo transcurrido y por lo tanto la distancia a la que esta la gota de agua o hielo. Cuanto mayor sea el tamaño y concentración de gotas y cristales, mayor será la señal que recibe el radar. 12