FISICA DE NUBES.

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1 FISICA DE NUBES

2 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 .

3 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.

4 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.

5 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.

6 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.

7 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.

8 Sin embargo, nosotros vemos las nubes en el cielo
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.

9 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.

10 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.

11 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.

12 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.

13 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.

14 Las partículas nubosas se tornan manifiestas cuando su diámetro supera las longitudes de onda de las luz visible: a partir de 0.5micrómetros.

15 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.

16 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:

17 Tabla

18 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.

19 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.

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22 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.

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24 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.

25 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.

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27 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.

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29 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.

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31 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.

32 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.

33 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.

34 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.

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36 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.

37 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.

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39 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.

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41 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).

42 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

43 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.

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49 Expansión

50 Inversión térmica

51 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.

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