Clase 5 Nubes y Precipitación

Clase 5
Nubes y Precipitación
Preguntas claves:
1. ¿cómo se forman las nubes?
2. ¿por qué el aire a veces asciende?
3. ¿qué determina el tipo de nubes?
Formación de nubes
De la clase anterior, recordemos que desde un punto de vista
macroscópico la formación de gotas de agua o cristales de hielo
(i.e., nubes) requiere saturar una “parcela” de aire húmedo, lo cual
puede alcanzarse debido a:
• Humidificación
• Enfriamiento
• Mezcla
Este es el mas importante
para formación de nubes
El tamaño y numero de gotas (cristales) depende de la distribución
de los NC presentes en el aire (microfísica de nubes).
Formación de nubes
El enfriamiento (mas generalmente, cambio de temperatura) del
aire puede ocurrir por varias razones:
• Procesos radiativos (ROC/ROL) → formación de niebla
• Ascenso (movimientos verticales) → formación de nubes
• Cambios de fase del agua
¿Parcelas de Aire?
Usaremos el nombre de parcela de aire para identificar un gran
número (millones) de moléculas que se mueven en forma más o
menos coherente empleando un volumen de varios metros
cúbicos: “un globo grande pero sin sus paredes”.
¿Que sucede cuando una parcela de aire asciende?
• La parcela se expande debido a que la presión externa
disminuye...
• ...las moléculas usan parte de su energía interna en el proceso
de expansión (presionan hacia afuera)...
• ...la parcela se enfría debido a que la energía interna de las
moléculas es proporcional a la temperatura de la parcela.
Notar que en este proceso, no se ha sacado ni inyectado calor
externo a la parcela, por lo cual se denomina proceso
adiabático.
Enfriamiento Adiabático
Altura
Tp=10°C
p=700 hPa
Pres. atmos
700 hPa
Parcela sube,
se expande y
enfria
Tp=25°C
p=1000 hPa
Pres. atmos
1000 hPa
Nota: el proceso también actua a la inversa; si
una parcela desciende se comprime y calienta
adibaticamente
Gradiente adiabático (seco)
Empleando la ley de gases ideales (pV=nRT) y el segundo
principio de la termodinámica (dQ = dU + dW) se puede
demostrar que en un ascenso o descenso adiabático el
gradiente (cambio) de temperatura con la altura es:
Γadiabatico = g/Cp = -10 °C/km
Esto es, por cada kilómetro de ascenso (descenso) la
temperatura de la parcela disminuye (aumenta) 10°C, si el
proceso es adiabático.
Nota: Si el ascenso/descenso toma menos de un día la aproximación
adiabática es muy buena (intercambio de calor con el medio es
pequeña).
Ejemplo del cambio de temperatura de tres parcelas de aire al desplazarse
verticalmente siguiendo un gradiente adiabático seco (10 C/km)
5
Altura [km]
4
Γad
3
Γad
2
1
Γad
0
-20
–10
0 10 20
Temperatura [C]
30
Nivel de Condesación por Ascenso (NCA)
¿Cuanto debe subir una parcela para que se sature?
Depende de la humedad relativa inicial (casos limite: 0% y 100%).
HR = 30%
HR = 50%
HR = 80%
Una vez que la parcela alcanza su NCA, el vapor de agua se
comienza a convertir en agua liquida. Este proceso libera calor
dentro de la parcela.
Si el ascenso continua, la parcela se continuara enfriando, pero a
una taza menor que el gradiente adiabático (seco). En este caso:
Γadiabatico saturado ≅ -6.5 °C/km
Esto es, por cada kilómetro de ascenso (descenso) la temperatura
de la parcela disminuye (aumenta) en 6.5°C.
5
Altura [km]
4
Γad-saturado
3
2
NCA
Γad
1
0
-20
–10
0 10 20
Temperatura [C]
30
Mecanismos de ascenso en la atmósfera
NCA
(a) Ascenso Orográfico
(b) Convergencia Orográfica
Aire
Cálido
Aire
Frío
(c) Ascenso Convectivo
(d) Ascenso Frontal
Mecanismos de ascenso en la atmósfera
Estabilidad atmosférica
Los mecanismos anteriores proveen el ascenso inicial del aire...¿que
pasa despues? Esto determina el tipo y extención vertical de las nubes
Ascenso
Adiabático
El movimiento puede ser:
Estable → Parcela tiende a volver a su nivel inicial
Inestable → Parcela continua subiendo (sin necesidad de forzamiento)
Neutro → Parcela se mantiene al nivel que quedo
• Principio de Arquímedes: Cuerpos mas densos que el medio se
hunden/ Cuerpos menos densos (más livianos) que el medio
ascienden
• En un gas ideal, a presión constante, la densidad es
inversamente proporcional a la temperatura: aire frío es mas
denso / aire cálido es más liviano.
Si T(parcela) > T(ambiente) → parcela tiende a subir
Si T(parcela) = T(ambiente) → parcela se mantiene nivelada
Si T(parcela) < T(ambiente) → parcela tiende a bajar
La estabilidad de una parcela sometida a un pequeño
desplazamiento vertical (hacia arriba o hacia abajo) depende del
perfil ambiental de temperatura (el cual suponemos que NO se
ve afectado por el movimiento de la parcela).
Perfil vertical real de
temperatura
Este perfil da cuenta de los múltiples
procesos que ocurren en la
atmósfera, incluyendo movimientos
verticales, movimientos horizontales,
mezcla turbulenta, calentamiento
radiativo, etc...
Se pueden observar capas en que la
temperatura disminuye con la altura,
capas isotermales, y capas de
inversión...(T aumenta con la altura)
Temp. Obs.
Γad
Perfil ambiental de Temperatura
5
Γ = -13°C/km < Γad
Altura [km]
4
3
Γ = +8°C/km > Γad
2
1
Γ = -10°C/km = Γad
Γad
0
-20
–10
0 10 20
Temperatura [C]
30
Podemos distinguir varias capas en el perfil ambiental de temperatura,
cada una de ellas con su propio gradiente vertical de temperatura (Γ).
Para referencia hemos incluido Γad
Conociendo el perfil ambiental de temperatura
(radiosondeo), las condiciones en superficie (estación
meteorológica) y las características del ascenso, se
pueden determinar las características de la nube que se
formara: NCA, tope, etc.
Para eso, los meteorólogos emplean un diagrama
termodinámico (o una versión computarizada de este):
• Si la capa es estable, la parcela ascenderá hasta
donde alcance el forzamiento. Si el forzamiento termina,
la parcela desciende y la nube se disipa.
• Si la parcela alcanza una capa inestable, su ascenso
continuara independiente del forzamiento hasta que
alcance una altura en que Tp=Ta
Ejemplo 1: Aire en superficie (con NCA a 1.5 km) es levantado por
ascenso orografico hasta los 2 km → stratus
9
8
7
6
5
Km
4
3
2
NCA
1
Estable (Tp<Ta)
0
-40
-30
-20
-10
0
10
Temperatura (C)
20
30
40
Ejemplo 2: Aire en superficie (con NCA a 2 km) es levantado por
ascenso frontal hasta los 5 km → Nimbo
9
8
7
6
Inestable (Tp>Ta)
5
Km
4
Nivel de Convección Libre
3
2
NCA
Estable (Tp<Ta)
1
0
-40
-30
-20
-10
0
10
Temperatura (C)
20
30
40
Ejemplo 3: Aire sobre la superficie de una isla se calienta durante el
día hasta 33°C (con NCA a 1 km) → CumuloNimbus
9
8
7
6
5
Km
Inestable (Tp>Ta)
4
3
2
1
NCA
0
-40
-30
-20
-10
0
10
Temperatura (C)
20
30
40
Ejemplo 4: Aire sobre la superficie de una isla se calienta durante el
día hasta 30°C (con NCA a 1 km) → CumuloNimbus
9
8
7
6
5
Km
4
3
2
Inestable (Tp>Ta)
1
NCA
0
-40
-30
-20
-10
0
10
Temperatura (C)
20
30
40
Ejemplo 4: Aire sobre la superficie de una isla se calienta durante el
día hasta 30°C (con NCA a 2 km) → Cumulos (altura variable)
9
8
7
6
5
Km
4
Estable (Tp<Ta)
3
2
NCA
1
Inestable (Tp>Ta)
0
-40
-30
-20
-10
0
10
Temperatura (C)
20
30
40