PROCESOS DE PRECIPITACIÓN

PROCESOS DE PRECIPITACIÓN
PROCESOS QUE CONDUCEN A LA PRECIPITACIÓN
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Para que se produzca la condensación de agua en la atmósfera, es
necesaria la presencia de pequeñas partículas sólidas (polvo, sales
marinas, etc) que actúan como núcleos de condensación.
Sin núcleos de condensación el agua puede permanecer en estado líquido
a temperaturas de hasta -40 ºC.
Una nube está compuesta por muchas gotas pequeñas, las que por su
tamaño no pueden caer hasta el suelo en forma de lluvia.
Se mantienen suspendidas por suaves corrientes de aire ascendentes en la
nube
Aquellas que de todas formas caen, descienden muy lentamente y se
evaporan en el aire seco que se encuentra debajo de la nube.
Resulta entonces que la mayoría de las nubes no son capaces de producir
precipitación.
El proceso de condensación por sí solo es demasiado lento para producir
lluvia (varios días).
las observaciones muestran que las nubes pueden desarrollarse y
comenzar a producir lluvia en menos de una hora.
Para formar una gota de lluvia promedio (2000 μm) se requieren alrededor
de 1 millón de gotitas de nube de tamaño medio (20 μm).
Existen dos principales mecanismos que explican la generación de lluvia: el
proceso de colisión-coalescencia y el proceso de cristales de hielo o de
Bergeron.
Relaciones de tamaño (medio) entre núcleos de condensación, gotas de
nube y gotas de lluvia
Efecto de la tensión superficial de las gotitas
sobre la presión de vapor de saturación.
A una misma temperatura, la presión de vapor de equilibrio
sobre la superficie de una gotita resulta mayor que la
correspondiente a una superficie plana.
Razón de saturación sobre gotas respecto de la
saturación sobre una superficie plana de agua.
S* : razón de
saturación crítica
r* : radio crítico
: Efecto de curvatura
: Efecto de la disolución
PROCESO DE COLISIÓN-COALESCENCIA
•
•
•
•
•
En nubes con topes a
temperatura mayor que –15 ºC,
las colisiones entre gotas son
fundamentales para producir
precipitación.
Para que ocurran suficientes
colisiones para formar una gota
de lluvia, algunas gotas deben
ser más grandes que otras.
Las gotas más grandes se
forman entorno de núcleos de
condensación grandes, como las
partículas de sal o bien por
colisión al azar entre gotas.
A medida que las gotas de nube
caen debido a la acción de la
gravedad, la resistencia del aire
desacelera su caída de manera
tal que se alcanza una velocidad
constante de equilibrio
denominada velocidad
terminal.
Esta última depende de la
relación entre la superficie de la
gota y su peso, de manera que
las gotas más grandes tienen
mayores velocidades terminales.
•
•
•
•
Por lo tanto, a medida que van
cayendo colisionan con pequeñas
gotitas que encuentran a su paso.
Cuando las gotitas colisionan y se
fusionan con la gota grande,
haciendo que ésta adquiera
mayor masa, ocurre la
coalescencia.
Entre los factores que influyen
este proceso, se encuentra el
tiempo de residencia de la gota en
la nube, de manera tal que a
mayor tiempo mayor sería el
tamaño de la gota que finalmente
cae en forma de lluvia.
Este tiempo de residencia es
función de la velocidad vertical de
las corrientes ascendentes dentro
de la nube.
Distribución vertical de hielo y agua en una nube cumulonimbus
PROCESO DE CRISTALES DE HIELO O DE BERGERON
•
•
•
•
•
Es el principal mecanismo de
producción de precipitación en
latitudes medias y altas, en donde
las nubes se desarrollan hasta
alturas en donde la temperatura cae
muy por debajo del punto de
congelación, con valores inferiores
a –20 ºC.
Se trata de nubes mixtas, en donde
solo existen unos pocos cristales
de hielo en comparación las
abundantes gotitas de agua
sobreenfriada (es decir, agua
líquida por debajo del punto de
congelación).
Ni las gotitas ni los cristales son lo
suficientemente grandes como para
caer en forma de lluvia o nieve.
En el ambiente nuboso, cada cristal
se encuentra rodeado por muchas
gotitas sobreenfriadas.
Según la curva de equilibrio de
fases, o de Clausius-Clapeyron,
para una misma temperatura
existen dos presiones de vapor de
equilibrio: una con respecto al agua
y otra con respecto al hielo.
Diferencia de presión de vapor de saturación entre el
agua sobreenfriada y el hielo, a diferentes temperaturas
• La mayor presión de vapor de
saturación corresponde al agua
sobreenfriada.
• Esta diferencia de presión de vapor
provoca una difusión de moléculas de
agua hacia los cristales.
• Como consecuencia, la presión de
vapor en el entorno de las gotas
disminuye, tornando más inestable aún
el equilibrio entre la fase líquida y
gaseosa.
• En respuesta a este desequilibrio, las
gotitas se evaporan para compensar el
déficit de vapor.
• Este proceso produce una fuente
continua de vapor que favorece el
crecimiento del cristal, el cual crecerá
rápidamente a expensas de la
evaporación de las gotas.
•
•
•
•
El constante suministro de vapor hacia el cristal le permite crecer muy rápido.
Hasta un punto en que éste se torna lo suficientemente pesado como para caer a
través de la corriente ascendente que forma la nube y entonces comienza a caer.
En ciertas nubes, en especial aquellas con topes relativamente cálidos, los
cristales de hielo chocan con gotitas sobreenfriadas, congelándolas
instantáneamente y acrecentando de esa manera el cristal (proceso denominado
acreción).
Los cristales formados se denominan graupel (o nieve granulada). A medida que el
graupel cae, se fractura o astilla en pequeñas partículas de hielo.
Estas astillas pueden crecer hasta convertirse nuevamente en graupel, el cual a su
vez puede producir más astillas.
• En las nubes más frías, los cristales pueden chocar con otros
cristales y fracturarse en pequeñas partículas de hielo, o
diminutas semillas, las cuales congelan por contacto a cientos de
gotas sobreenfriadas.
• Se logra una reacción en cadena que produce muchos cristales.
• A medida que éstos caen, pueden chocar y pegarse entre unos y
otros.
• El proceso mediante el cual los cristales chocan y se pegan entre
ellos se denomina agregación.
• El producto final de esta aglutinación es un copo de nieve.
• Si éste se funde antes de alcanzar el suelo, entonces continúa su
caída como una gota de lluvia.
• Por lo tanto, la mayor parte de la lluvia que cae en latitudes
medias y altas (aún en verano) se inicia como nieve.
• Para que los cristales de hielo crezcan lo suficiente como para
producir precipitación, es necesario que el número de gotas de
agua supere varias veces al de los cristales.
• En general, el número de cristales con respecto al de gotas debe
ser del orden de 1 : 100.000 a 1 : 1.000.000.
PRECIPITACIÓN EN NUBES
•
•
En nubes convectivas frías la precipitación puede comenzar apenas unos
minutos después de la formación de la nube y puede iniciarse tanto por
el proceso de colisión – coalescencia, como por el de cristales de hielo
(Bergeron).
Una vez que cualquiera de los procesos comienza, la mayor parte de la
precipitación crece por acreción.
•
•
•
Si bien la precipitación en general está ausente en nubes estratiformes cálidas,
como los stratus, en general está asociada con nubes frías estratiformes como
los nimbostratus y los altostratus.
Esta precipitación se supone que se forma principalmente mediante el proceso
de cristales de hielo (Bergeron) debido a que el contenido de agua líquida en
estas nubes es generalmente menor que el de las nubes convectivas, de manera
tal que el proceso de colisión - coalescencia se torna menos efectivo.
Los nimbostratus suelen ser lo suficientemente espesos como para extenderse
hasta niveles donde la temperatura del aire es lo suficientemente baja, y suelen
persistir lo suficiente como para que el proceso de cristales de hielo (Bergeron)
inicie la precipitación.
TIPOS DE PRECIPITACIÓN
Lluvia
•
•
•
•
•
Se define como la caída de gotas de
agua líquida cuyo diámetro es igual
o mayor a 0,5 mm.
Cuando caen gotas pequeñas y
uniformes con un diámetro menor
que 0,5 mm se denomina llovizna.
La mayoría de las veces la llovizna
cae desde stratus o nimbustratus,
pero también sucede que pequeñas
gotas de lluvia se evaporan
parcialmente a medida que caen a
través de aire no saturado,
entonces alcanzan el suelo en
forma de llovizna.
En algunos casos la lluvia que cae
desde una nube nunca alcanza el
suelo porque la baja humedad
causa una rápida evaporación.
A medida que las gotas se tornan
más pequeñas, su velocidad de caía
disminuye y aparecen como si
fuesen banderines colgando desde
la base de las nubes. Estas franjas
de lluvia evaporándose se
denominan Virga
•
•
•
•
•
•
•
Las gotas de lluvia también pueden caer desde una nube y no alcanzar el
suelo cuando encuentran aire que asciende rápidamente.
Las gotas de lluvia grandes tienen una velocidad terminal de 9 m/seg
aproximadamente, si encuentran aire ascendente cuya velocidad supera
ese valor entonces no alcanzan la superficie.
Si la ascendente se debilita o cambia su dirección conviertiéndose en una
descendente, las gotas en suspensión caerán hasta el suelo en forma de
un repentino chaparrón de lluvia.
La intensidad de un chaparrón depende de la intensidad de las corrientes
ascendentes y descendentes dentro de la nube y de la velocidad de
desplazamiento de ésta con respecto al suelo.
En el caso de los cumulonimbus, debido a la fuerte intensidad de las
corrientes de aire y la coexistencia de ascendentes y descendentes en
distancias de pocos metros, es posible que en superficie ocurra un
chaparrón de un lado de una calle y el lado de enfrente de la misma calle
permanezca seco.
La lluvia continua suele caer desde nubes estratiformes que cubren un gran
área y poseen corrientes verticales de aire más débiles.
Estas condiciones suelen estar asociadas a los nimbostratus.
Intensidad de la precipitación
•
•
La lluvia puede caer durante varios días a media que va siendo absorbida
por el suelo o bien caer totalmente en forma de chaparrón y provocar
erosión en el suelo, obstrucción de las alcantarillas en las ciudades y
causar inundaciones en valles haciendo que los ríos no logren evacuar el
caudal incrementado de manera repentina.
Se define como intensidad de la lluvia a la cantidad que cae durante un
dado período: la intensidad de la lluvia siempre se basa en la acumulación
durante un cierto intervalo de tiempo, Por lo tanto, las unidades de I pueden
ser: [I] = mm/min , mm/h
rr
I
t
Donde:
•
rr = cantidad de precipitación , en milímetros
t = tiempo, en minutos u horas
Normalmente este parámetro se calcula utilizando el registro pluviográfico
que proporciona precisamente los datos de precipitación en función del
tiempo de ocurrencia. Para determinar la intensidad de una precipitación es
necesario contar con un aparato registrador.
MEDICIÓN DE LA PRECIPITACIÓN
•
La unidad de medida empleada es
el milímetro de precipitación, el
cual se define como una lámina de
1 m2 de superficie y 1 mm de
espesor; se ve entonces que es
equivalente a hablar de 1 litro o
dm3 de agua por cada metro
cuadrado de superficie del
terreno. Sólo se emplea el
centímetro de precipitación en
climatología, donde se indica la
precipitación acumulada de todo
un mes o año.
•
Para medir la precipitación diaria
acumulada se utiliza el
denominado Pluviometro clase B,
que es el reconocido por el
Servicio Meteorológico Nacional.
Nieve
•
•
•
•
•
•
•
La mayor parte de la precipitación que alcanza el suelo se inicia como nieve.
En los climas templados de latitudes medias, el nivel de congelación (altura de la
isoterma de 0 ºC) se encuentra por encima de 3600 m durante el verano y los copos
de nieve que caen desde una nube se funden antes de alcanzar el suelo.
Para que la nieve llegue al suelo se requiere que el nivel de congelación esté mucho
más bajo y así los copos de nieve tendrán mejores chances de sobrevivir.
Normalmente, los copos de nieve caen hasta 300 m por debajo del nivel de
congelación.
Los copos de nieve presentar una estructura en forma de estrella con
ramificaciones denominadas dendritas. El tipo de cristal que se forma, como así
también su tasa de crecimiento, depende de la temperatura del aire y de la humedad
relativa.
Dado que varios cristales pueden juntarse (agregación) para formar un copo de nieve
mucho más grande, los cristales de nieve pueden tomar formas muy complejas.
•
•
•
•
•
En la Tabla I se presentan diferentes
rangos con valores de temperatura y
humedad dentro de los cuales se
favorece el desarrollo de los
distintos tipos de cristales.
En la misma Tabla se observa que
las dendritas son comunes a
temperaturas entre –12 ºC y –16 ºC.
La tasa de crecimiento de los
cristales depende de la diferencia
entre la presión de vapor de
saturación sobre el agua y sobre el
hielo, siendo máxima esta diferencia
justamente en el rango de
temperaturas donde las dendritas
tienen mayor probabilidad de
formarse.
Por consiguiente, este tipo de
cristales crece más rápidamente que
las otras formas.
A medida que los cristales de hielo
caen a través de una nube, se
exponen a cambios de temperatura
y humedad.
Temperatura del aire
(°C)
Forma del cristal
0 a –4
Láminas delgadas
–4 a –6
Agujas
–6 a –10
Columnas
–10 a –12
Láminas
–12 a –16
Dendritas, láminas
–16 a –22
Láminas
–22 a –40
Columnas huecas
•
•
•
•
•
La nieve también puede caer en forma de chaparrones de nieve o de manera más
uniforme y continua.
En el primero de los casos la nieve cae desde nubes cumuliformes mientras que en
el segundo cae desde nubes estratiformes como nimbostraturs o altostratus.
La intensidad de la nieve se basa en la reducción de la visibilidad horizontal al
momento de la observación.
Cuando sopla un viento fuerte en superficie, la nieve puede ser levantada desde el
suelo causando una importante reducción en la visibilidad horizontal.
Se denomina ventisca al estado del tiempo que se caracteriza por bajas
temperaturas y fuertes vientos (mayores de 30 nudos) que transportan grandes
cantidades nieve conformada por partículas delgadas y secas con apariencia
polvorienta y capaz de reducir la visibilidad a escasos pocos metros.
Aguanieve y lluvia engelante
• En ciertas situaciones, un copo de nieve a medida que cae eventualmente puede
encontrar aire con temperaturas mayores que 0 ºC y eventualmente el copo de nieve
se funde parcialmente o bien por completo transformándose en una gota de lluvia
fría.
• En el caso que exista una capa de aire por encima de la superficie con temperaturas
menores que 0 ºC, el copo de nieve parcialmente fundido o la gota de lluvia se
convierte nuevamente en hielo, pero no como un copo de nieve, sino como una
pelusa de hielo denominada aguanieve.
• En general, estas pelusas de hielo son transparentes (o translúcidas) con diámetros
de 5 mm o menores.
• Rebotan al impactar contra el suelo y producen un ligero chasquido cuando tocan
una ventana o una pieza de metal.
•
•
•
•
•
Cuando la capa aire por debajo de la nube resulta demasiado delgada
para congelar las gotas de lluvia a medida que cae, las gotas alcanzan la
superficie en forma de agua líquida sobreenfriada.
En cuanto chocan con un objeto frío, las gotas se desparraman y se
congelan inmediatamente, formando una delgada lámina de hielo. Este
tipo de precipitación se denomina lluvia engelante.
Si las gotas tienen un diámetro menor que 0,5 mm la precipitación se
denomina llovizna engelante.
Cuando pequeñas gotas sobreenfriadas o gotas de niebla chocan contra
un objeto cuya temperatura es menor que 0 ºC, se congelan y forman una
acumulación de hielo blanco o de apariencia lechosa denominado
cencellada.
Cencellada
Granos de nieve y nieve granulada
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Los granos de nieve son granos de .hielo opaco y pequeño, son el
equivalente sólido de la llovizna.
Son más bien alargados o elongados, con diámetros generalmente
menores que 1 mm. Caen en pocas cantidades desde stratus y jamás en
forma de chaparrón.
No rebotan ni se rompen.
En cambio, la nieve granulada consiste en granos de hielo blanco y opaco
con diámetros menores que 5 mm.
A veces se los confunde con granos de nieve. Sin embargo, es fácil
distinguirlos porque, a diferencia de los granos de nieve, la nieve granulada
es frágil, con aspecto como crujiente y se rompe al impactar contra una
superficie dura.
En general cae en forma de chaparrón, especialmente desde cumulus
congestus.
La nieve granulada es el graupel cuando éste alcanza la superficie, por lo
tanto podemos considerarlos equivalentes, es decir que se trata del mismo
tipo de partícula de hielo.
A veces, en las tormentas cuando el graupel alcanza el suelo tambien se lo
denomina granizo blando.
Durante el verano, el graupel puede fundirse y alcanza la superficie en
forma de grandes gotas de lluvia.
Sin embargo, en nubes de tormenta intensas, el graupel puede
desarrollarse hasta convertirse en partículas de granizo.
Granizo
• granos o corpúsculos de hielo más o menos duros que caen de las nubes. El
tamaño de estas partículas oscila, normalmente, entre unos milímetros y dos
o más centímetros. Al contrario de la nieve, que se da casi siempre en
invierno o regiones heladas propicias, el granizo se produce, generalmente,
tanto en verano como en la estación invernal.
• El mecanismo de esta precipitación violenta de gránulos de hielo está
relacionado con las tormentas, en las que interviene la convección como
elemento esencial en su formación, y con los fenómenos eléctricos.
Las variedades de granizo son:
•
Granizo blando: grano blancuzco, opaco, quebradizo y desmenuzable con los
dedos. Al tocar el suelo rebota y a menudo se rompe. Su tamaño oscila entre 2 y 5
mm. Se forma por adhesión de gotitas de agua sobreenfriadas a un cristal de nieve.
•
Granizo duro: granizo blando, recubierto por una capa de hielo. Se forma cuando el
granizo blando atraviesa una nube de agua. Las gotitas de agua se depositan sobre
la superficie del mismo antes de congelarse. Su aspecto es vidrioso,
semitransparente; no se aplasta fácilmente. No se rompe ni rebota cuando toca el
suelo. Se forma principalmente en nubes Cumulonimbus.
•
Granizo y piedra: granos de hielo de considerable tamaño. Los de menos de 2 cm
de diámetro se llaman granizo; los mayores, piedra. Ambos se producen en
Cumulonimbus que se desarrollan en días de mucho calor y de mucha humedad. Su
mayor frecuencia se observa, como es natural, durante la estación de verano, en las
horas de la tarde. Son precipitaciones características de los continentes. En los
mares raras veces cae granizo.
•
Garrotillo: granos de hielo de 1 a 4 mm de diámetro, comúnmente transparentes o
translúcidos, duros, que cuando tocan el suelo rebotan. Son gotas de lluvia que se
han congelado al atravesar una capa de aire frío que cubre el suelo, cuya
temperatura es inferior a 0 °C.
REFERENCIAS
• Ahrens, C. D. Meteorology Today, 9º
edición, año 2009