Humedad, vapor de agua, nubes y precipitación Meteorología para aviadores navales Curso 2006 Prof.: Dr. Gustavo V. Necco Escuela de Aviación Naval ESANA Humedad, vapor de agua, nubes y precipitación

Humedad, vapor de agua, nubes y precipitación

Gaseoso (vapor de agua) Líquido (lluvia, espejos de agua) El agua El más común de los elementos, pero el más extraordinario. Se encuentra en los tres estados Gaseoso (vapor de agua) Líquido (lluvia, espejos de agua) Sólido (hielo, granizo, nieve) Gran influencia en los intercambios De masa (lluvia, meteoros) Energéticos (condensación, evaporación, sublimación) Radiativos (albedo en nubes y superficies nevadas)

El agua. Cambios de estado CONDENSACION SOLIDA SOLIDO LIQUIDO (HIELO) CONGELAMIENTO CONDENSACION FUSION EVAPORACION (AGUA) SUBLIMACION TOMA CALOR LIBERA CALOR Intercambios de calor cuando el agua cambia de estado. Las flechas azules indican cambios que absorben calor. Ese calor permanece oculto o « latente » hasta que ocurra un cambio de estado inverso. Las flechas rojas muestran cambios que liberan calor latente al entorno. El intercambio de calor ocurre cada vez que el agua cambia de estado (aunque no cambie la T).

Noción de saturación del vapor de agua 1) 2) 3) agua agua agua salada sal sal aire húmedo agua aire seco agua salada sal aire húmedo agua A temperatura más elevada el estado de saturación se produce con una cantidad de vapor de agua (o de sal) más importante saturación A una T dada el aire sólo puede contener una cantidad máxima de vapor de agua. Cuando se alcanza ese máximo hay saturación en vapor de agua. Si se continúa la humidificación el excedente pasa a la forma líquida. La cantidad máxima de vapor de agua que puede contener el aire es función de T. Si la temperatura es baja el aire sólo puede contener poco vapor de agua. Si la T es elevada el aire puede contener mucho más vapor de agua.

BAJA MEDIA ALTA Temperatura La temperatura determina el máximo valor de vapor de agua que puede contener el aire. Los puntos azules ilustran la mayor capacidad del aire caliente para contener vapor de agua. Para cada T el aire puede contener una cantidad dada de vapor de agua. No más.

Humedad relativa Si Q: es la cantidad máxima de vapor de agua que puede contener el aire y q: es la cantidad real de vapor de agua contenido por el aire se pueden comparar por un porcentaje U = 100 q/Q El valor U se denomina humedad relativa. Cuando se alcanza la saturación q = Q y entonces U = 100%

Medición de la humedad relativa - Higrómetros e higrógrafos de cabello - Psicrómetros : miden dos temperaturas – seca y húmeda - Captores capacitivos: basados en condensadores cuya capacidad eléctrica varía con la humedad Psicrómetro de aspiración (Assman)

La temperatura del punto de rocío Muy empleada en aeronáutica. El punto de rocío es la temperatura a la que hay que enfriar (a presión constante) una partícula de aire para que se sature. Cuando se compara el punto de rocío con la temperatura del aire se puede estimar cualitativamente cuán cerca está el aire de la saturación. La diferencia entre la temperatura del aire y la del punto de rocío se denomina « depresión del punto de rocío ». Cuando esta depresión disminuye la humedad relativa aumenta y será 100 % cuando la temperatura y el punto de rocío coincidan. La depresión del punto de rocío en superficie es importante para anticipar la ocurrencia de nieblas, pero tiene poco que ver con la precipitación (para que ocurra una precipitación el aire debe estar saturado en capas muy espesas en altura)

Humedad relativa y punto de rocío A 55°F (12.8°C) A 44°F (6.7°C) A 37°F (2.8°C) Vapor de agua presente en el aire PUNTO DE ROCIO 37°F (2.8°C) 37°F Máximo vapor de agua posible en el aire La humedad relativa depende tanto de la temperatura como del vapor de agua. En la figura el vapor de agua es constante pero la T varía. A la izquierda la HR es 50% (un aire más caliente podría contener el doble de vapor de agua presente). Cuando el aire se enfría (centro y derecha) aumenta la HR. Al llegar al punto de rocío la capacidad del aire para contener vapor de agua se reduce a la cantidad presente. La HR es 100%, el aire está saturado y la T y el punto de rocío son iguales

Nubes Son un conjunto o asociación, grande o pequeña, de gotitas de agua ( y a veces también de cristales de hielo) producto de un gran proceso de condensación. Se presentan con los más variados colores, aspectos y dimensiones, según las altitudes en que aparecen y las características particulares de la condensación. El tamaño de las gotitas que integran una nube varía desde unos pocos micrones hasta 100 micrones. Al principio son casi esféricas, dependiendo su crecimiento del calibre y composición del núcleo de condensación, así como de la humedad del aire. Cuando las gotitas se hacen mayores, pierden su forma esférica y toman la clásica de pera, con la que casi siempre se las representa. Cuando ya no pueden sostenerse en la atmósfera inician el camino hacia tierra en forma de precipitación.

Formación de nubes Expansión y saturación Vimos que cuando la T disminuye, a presión constante, la HR aumenta y se puede alcanzar la saturación (100%). Hay también procesos de expansión que producen la condensación del vapor de agua. T = + 8.5°C U = 100% Nivel de condensación La presión atmosférica disminuye con la altura, y por consiguiente si una partícula de aire asciende su P disminuye y se expande, enfriándose. Si T disminuye la HR aumenta y cuando se alcanza la saturacion se dice que llegamos al nivel de condensación (por ascenso). 810 pies T = + 11.2°C U = 86% ascenso 3000 pies T = + 21.2°C U = 51%

Núcleos de condensación En aire completamente puro cuando se sobrepasa el estado de saturación (sobresaturación) no aparecen gotitas de agua. La condensación sólo ocurre si el aire contiene partículas sólidas microscópicas llamadas núcleos de condensación. Estas partículas pueden ser de ClNa (de la evaporación del mar), humos o polvos. El vapor de agua se condensa fácilmente sobre gotitas microscópicas que se forman en los núcleos. Una vez que se forma la nube los movimientos turbulentos llevan a las gotitas a chocar y agrandarse (coalescencia). La visibilidad es débil en las nubes (menos de 100 m) Si la T es inferior a 0°C la condensación da lugar a cristales de hielo. o o o Núcleo de condensación o agua

Nociones de estabilidad e inestabilidad Consideremos masas de aire frío y cálido (son términos relativos en la atmósfera ya que habrá que considerar siempre los fenómenos de ascenso o el calor latente para obtener la T) AIRE CÁLIDO AIRE FRÍO Z estable inestable AIRE FRÍO AIRE CÁLIDO Si, por los movimientos de la atmósfera, una masa de aire cálido se sitúa por encima del aire frío la situación es estable: el aire cálido, más liviano, está por encima del frío y allí queda. Si el aire cálido se sitúa por debajo del frío la situación es inestable: el aire cálido, liviano, se desplaza para pasar por encima del frío provocando movimientos verticales. El aire cálido se expande (y se enfría) y pueden aparecer nubes.

Fenómenos generadores de nubes La inestabilidad (ya visto); La turbulencia, que también puede provocar movimientos verticales y , por consiguiente, expansión; La radiación, que conduce a un enfriamiento del aire que puede llevar a la condensación; Los ascensos generalizados de las masas de aire (ascensos sinópticos); Los ascensos provocados por el relieve montañoso.

La forma de las nubes La inestabilidad puede producir desplazamientos verticales del aire muy vigorosos, del orden de varios m/s. Las nubes formadas por estos procesos se extienden en la vertical y tienen tendencia a semejarse a coliflores. Se dice que son cumuliformes. Otros procesos, como la radiación, tienen lugar en una atmósfera muy estable y las nubes así formadas tienen un desarrollo vertical muy débil y se extienden en la horizontal. Se las llama estratiformes. El aspecto general de las nubes y su forma está así muy relacionada al carácter estable o inestable de la atmósfera y, por lo tanto, dependerá del perfil vertical de la temperatura del aire.

Gradiente vertical de temperatura En la atmósfera tipo o estándar se vió que el decrecimiento de la T con la altura es de 2°C cada 1000 pies. En la atmósfera real es muy cambiante. Z T(Z) ISOTERMIA T

Cambios de temperatura con ascensos y descensos Se ha visto que si el aire asciende la presión disminuye y se expande y. por lo tanto, se enfria. Al contrario si desciende se comprime por la mayor presión y se calienta. Estos cambios se llaman (enfriamientos o calentamientos) adiabáticos, porque no se agrega ni se quita calor al aire. En aire no saturado este gradiente es constante. Para este caso el aire ascendiendo o descendiendo se enfría o se calienta aproximadamente 3°C cada 1000 pies Se denomina « gradiente adiabático seco » y es independiente de la T de la masa de aire donde ocurre el movimiento vertical - 3°C cada 1000 pies enfriamiento globo en ascenso

Cambios de temperatura con ascensos y descensos gradiente adiabático seco Z B estable B estable C neutro A inestable 13°C 18°C 31°C T 16°C Una masa de aire donde la temperatura decrece rápidamente con la altura favorece la inestabilidad; pero el aire tiende a ser estable cuando la temperatura cambia poco o nada (isotermia) o crece (inversión) con la altura

Tipos y géneros de nubes

Tabla de las clasificaciones nubosas (Luke Howard, 1803)

Las nubes se clasifican en 10 formas características, o géneros, que se excluyen mutuamente.

Vista de los diferentes géneros de nubes y los niveles aproximados que ocupan en la troposfera. Las nieblas y el “smog (niebla y humos)” no se consideran nubes.

CIRROS (Ci) Se encuentran generalmente entre 6.000 y 10.000 metros de altitud, o sea, hasta el límite aproximado de la troposfera. Estas nubes altas están constituidas por cristalitos de hielo y son transparentes.

CIRROESTRATOS (Cs) Estas nubes altas aparecen a unos 8.000 metros de altitud. Se asemejan a un velo o manto continuo blanquecino, transparente, de aspecto fibroso o liso, que cubre total o parcialmente el cielo, pero sin ocultar el Sol o la Luna, en torno de los cuales producen el fenómeno óptico del halo. Como los cirros, estas nubes también están constituidas, principalmente, por cristalitos de hielo.

CIRROCÚMULOS (Cc) Estas nubes altas se componen principalmente de cristales de hielo y se forman entre los 5000 a 13000 metros. Parecen pequeñas bolas de algodón que usualmente se alinean en largas hileras. Los Cirrocúmulus son normalmente blancos, pero a veces parecen grises. Si estas nubes cubren la mayoría del cielo, se suele denominar "cielo enladrillado" o "cielo escamado".

ALTOESTRATOS (As) Estas nubes intermedias, cuyas bases se hallan de 3.000 a 4.000 metros de altitud, son como un velo o manto de color gris, a veces con tonalidades blancas y azuladas. Sus partes menos densas permiten ver el Sol y la Luna como manchas difusas de luz, como si fuera a través de un vidrio opaco.

ALTOCÚMULOS (Ac) Son también de la clase de nubes intermedias, siendo su altura de base unos 3.000 metros. Están, al menos en su mayor parte, constituidas por gotitas de agua, aunque, a muy bajas temperaturas, pueden formarse cristalitos de hielo que, si caen, pueden originar fenómenos ópticos como el halo, parhelios y columnas luminosas. Generalmente aparecen en bancos o mantos de nubes en forma globular, como si se tratasen de balas de algodón o grandes pastillas, distribuidas en una o dos direcciones bien marcadas, cual enlosado celeste. Algunas veces toman otras formas. Casi siempre tienen vigorosas partes sombreadas, aunque su color más corriente es una mezcla de blanco y gris.

ESTRATOCÚMULOS (Sc) La altura de base de estas nubes bajas es de unos 1.500 metros. Se presentan en capas o bancos de color gris y blanquecino, con límites definidos. Generalmente forman fajas paralelas de gran extensión. Están constituidas por gotitas de agua.

NIMBOESTRATOS (Ns) También pertenecen a la serie de nubes bajas. Su base se encuentra a una altitud de alrededor los 1.200 metros. Son mantos nubosos propios del tiempo de lluvia. Son de color gris, frecuentemente oscuros. Su espesor es siempre lo suficientemente grueso para ocultar el Sol. Su aspecto queda borroso o enturbiado por la caída de la lluvia o nieve. Los nimboestratos están constituidos por gotitas de agua y gotas de lluvia, aunque muchas veces también contienen cristalitos de hielo y copos de nieve.

ESTRATOS (St) Son nubes bajas que se presentan en forma de largas fajas horizontales de color humo o grisáceo y son muy parecidas a los nimboestratos, aunque no están relacionados con lluvias o nevadas. Son mantos muy uniformes, parecidos a la niebla, por lo que vulgarmente se las conoce como "nieblas altas". Su altitud es siempre muy baja, originándose desde alturas cercanas al suelo hasta unos 800 metros. Se la considera nube de buen tiempo y está integrada por gotitas de agua y aparece frecuentemente por las mañanas en las zonas montañosas.

CÚMULOS (Cu) Estas nubes tienen generalmente una base llana y horizontal que se halla a una altitud de 800 a 1.000 metros. Se presentan en conglomerados sueltos, de color blanco, brillantes cuando están iluminados por el Sol, y con una base un poco oscura. Se desarrollan verticalmente en forma de cúpulas, prominencias o torres, siendo la parte superior muy semejante a una coliflor. Están compuestos por gotitas de agua, aunque se pueden formar cristalitos de hielo a partir de temperaturas inferiores a 0° C.

CUMULONIMBOS (Cb) Son nubes bajas de gran desarrollo vertical, con una base a poca altitud (unos 800 metros del suelo), y cuya altura llega algunas veces hasta los 9.000 y 10.000 metros, es decir, toda la altura de la troposfera. Su base horizontal, que alcanza tonalidades muy oscuras, puede ocupar hasta 30 Km. de ancho. Su parte superior es generalmente aplanada y en forma de "yunque". Su aspecto amenazador y el que produzcan grandes tormentas de lluvia y granizo, acompañadas de rayos y truenos, hace que se las conozca como "nubes de tormenta".  Los cumulonimbos están constituidos por gotitas de agua, cristales de hielo, gotas de lluvia y, la mayor parte de las veces, copos de nieve, granizo y pedrisco. Suelen presentarse aisladamente o en filas en forma de muralla.