Tema 5. Mecanismos de Condensación. Precipitación

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 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 1.000 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
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.
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ESTRATIFORMES
ALTAS
Cs Ci
MEDIAS
As
BAJAS
St Ns Sc
CUMULIFORMES
Cc
Ac
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
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
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Hidrometeoro
Gota de nube
Llovizna
Gota de lluvia
Nieve
Rado (mm) Velocidad terminal (
0.05
0.25
0.25
2
0.50
3.9
1.50
8.1
2.50
9.1
5.00
1.7
)
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
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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:
y )
y )
Lluvia (
Chubasco ( y !" )
Llovizna (
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
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:
#%$'& ( ) y uno a varios días de duración).
( ) ) se generan dentro de
Areas mesoescalares (MSA) ( *#+,&
Areas sinópticas (
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
& .- ( )
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 indi9
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
243
y Franjas situadas en latitudes medias entre 5
Cinturones secos alrededor de los
y
debido a la presencia de las
células subtropicales de alta presión durante la mayor parte del año.
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:
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
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.
10.1
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
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 huracanesamericanos.
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.
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