Tormentas y Tiempo Severo

Cátedra de Introducción a las Ciencias de la Atmósfera
Apuntes Complementarios de las Clases Teóricas
Unidad 11: Tormentas y Tiempo Severo
Profesor: Pablo L. Antico
La definición de tormenta indica que ésta ocurre siempre que un observador escucha
truenos, lo cual indica la presencia de al menos una nube cumulonimbus. Justamente este
tipo de nubes se caracteriza por tener actividad eléctrica en forma de relámpagos y/o
rayos. En inglés, tormentas se dice thunderstorm, vocablo que surge de la combinación
de thunder (trueno) y storm (tormenta). Eventualmente, una tormenta puede producir
ráfagas de viento en superficie con chaparrones de lluvia y granizo. A veces, un conjunto
de tormentas se organizan en aglomerados (en inglés, clusters) o bien a lo largo de una
línea de cientos de kilómetros de extensión.
Las tormentas en definitiva se originan mediante el proceso de convección que eleva el
aire. Es decir, que las tormentas se originan cuando aire húmedo y cálido es forzado a
ascender a través de un entorno condicionalmente inestable. La masa de aire que
asciende puede tener un volúmen muy variable, desde el tamaño de un globo hasta un
millón de metros cúbicos (es decir un cubo cuya base mide una hectárea). A medida que
esta parcela de aire asciende debido a que es menos densa que el entorno, actúa sobre
ésta una fuerza ascencional dada por el empuje hidrostático (en inglés, buoyant force o
simplemente bouyancy). El movimiento ascendente del aire es iniciado por un mecanismo
forzante que puede ser un calentamiento diferencial sobre la superficie, el efecto del
terreno o el ascenso de aire a lo largo de líneas en donde convergen los vientos de
superficie (por ejemplo, frentes de brisa marina). En forma adicional, la divergencia de
vientos en altura combinada con convergencia en superficie también provee condiciones
favorables para el desarrollo de tormentas. Las tormentas también suelen formarse
cuando el aire cálido es elevado a lo largo de superficies frontales. Muchas veces, varios
de estos mecanismos actúan en forma combinada con la cortante vertical del viento para
generar tormentas severas.
La mayoría de las tormentas son de corta duración y provocan chaparrones de lluvia,
ráfagas de viento en superficie, truenos y relámpagos y en ciertos casos granizo pequeño.
En cambio, algunas tormentas pueden transformarse en tormentas severas. Estas últimas
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se definen cuando tienen asociado al menos uno de los siguientes fenómenos de tiempo
severo: granizo grande (en los EUA se dice que el granizo es grande, y por lo tanto se lo
considera con poder destructivo, cuando su diámetro supera los ¾ de pulgada), ráfagas
de vientos superiores a 50 nudos o tornados. Entre los fenómenos severos también
podrían mencionarse a los rayos y a la ocurrencia de inundaciones repentinas,
denominadas aluviones en zonas serranas o montañosas. Sin embargo, en estos últimos
casos la ocurrencia de los fenómenos resulta de la interacción entre la tormenta y las
características del terreno.
La mayoría de las tormentas que ocurren en forma dispersa son las denominadas
tormentas de masa de aire o celdas de tormenta ordinarias, dado que tienden a formarse
dentro de masas de aire cálido y húmedo bastante lejos de frentes. Este tipo de tormentas
son las más simples dado que rara vez se transforman en severas, con una extensión
horizontal menor que un kilómetro y cuyo ciclo de vida dura menos de una hora. Sin
embargo, cuando éstas se desarrollan bajo ciertas condiciones atmosféricas específicas,
puden tornarse más intensas y organizarse en complejos de tormentas tales como las
tormentas de múltiples celdas (o multicelulares) o en superceldas de tormenta. Estas
últimas consisten en grandes tormentas que pueden persistir por horas y producir tiempo
severo.
Celdas de Tormenta Ordinarias
También denominadas tormentas de masa de aire o tormentas ordinarias, suelen
formarse en una región caracterizada por una débil cortante, es decir que tanto la
dirección como la intensidad del viento no sufren un cambio abrupto al elevarse desde la
superficie. La mayoría de estas tormentas resultan de parcelas elevadas por efecto de la
turbulencia ante la presencia de viento. Por otra parte, las tormentas ordinarias suelen
formarse a lo largo de zonas en donde ocurre convergencia de vientos en superficie.
Éstas se forman debido a irregularidades del terreno, frentes de brisa de mar o el flujo frío
de aire que desde el interior de una tormenta alcanza el suelo y se desparrama
horizontalmente.
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Las tormentas de masa de aire evolucionan a través de un ciclo de vida que consta de
tres etapas. La primera etapa se denomina etapa cumulus o etapa de desarrollo. A
medida que la parcela de aire cálido y húmedo asciende, se expande, se enfría y se
condensa en forma de una única nube cumulus o un conglomerado de nubes. Otras
parcelas de aire húmedo continúan ascendiendo de manera que la nube crece y su tope
alcanza alturas cada vez mayores. A medida que el vapor se transforma en gotas y en
cristales se libera calor latente que contribuye con el empuje hidrostático de las parcelas
ascendentes. Se establece entonces una corriente ascendente conformada por sucesivas
parcelas de aire cálido y húmedo que ingresan por la base de la nube desde superficie y
en pocos minutos la nube se transforma en un cumulus potente (cumulus congestus).
Estos se caracterizan por presentar una estructura tipo torre con una cima bien definida
con forma de cúpulas. Durante esta estapa, el tiempo de residencia de las gotas en la
nube no es suficiente para producir precipitación y las corrientes ascendentes mantienen
en suspensión a las partículas líquidas y sólidas dentro de la nube. Tampoco ocurren
descargas eléctricas, o sea que los cumulus potentes no producen ni relámpagos ni
truenos.
Una vez que el tope de la nube se encuentra bien por encima del nivel de congelación,
las partículas crecen mucho más, tornándose más pesadas. En un determinado momento
ocurre que la velocidad del aire ascendente es menor que la velocidad terminal de las
partículas y por consiguiente ya no puede mantenerlas en suspensión de manera que
éstas comienzan a caer. Una vez iniciado este proceso, aire seco del entorno fuera de la
nube es capturado, proceso conocido por su nombre en inglés como entrainment. El
entrainment provoca la evaporación parcial gotas en el interior de la nube lo cual causa un
enfriamiento del aire. Por lo tanto, el aire siendo más frío que su entorno se torna más
denso y se establece una de corriente descendente. Ésta a su vez se potencia a medida
que la precipitación arrastra parte del aire en su caída. La aparición de la descendente
marca el inicio de la etapa madura. La descendente y la ascendente dentro de la
tormenta madura conforman la celda. Algunas tormentas pueden contener más de una
celda, cada una de las cuales dura menos de 30 minutos.
Durante la etapa madura, la tormenta es más intensa. El tope de la nube normalmente
alcanza el nivel de la tropopausa, en donde el aire es estable causando la dispersión
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horizontal de cristales y otorgando a la nube la clásica apariencia de un yunque. Durante
esta etapa ocurre la actividad eléctrica, es decir relámpagos, rayos y truenos. En
superficie se registra lluvia fuerte (a veces granizo) y junto con la lluvia irrumpe el aire frío
de los niveles superiores.
Cuando el aire frío de la descendente alcanza la superficie, éste se desparrama en
dirección horizontal. Se establece una superficie denominada frente de ráfagas que
separa el aire frío del aire más caliente del entorno. Este mismo frente también fuerza al
aire húmedo del entorno cerca de la superficie a ingresar a la tormenta a través de la
ascendente.
Una vez transcurridos entre 15 y 30 minutos desde el inicio de la etapa madura, la
tormenta comienza a disiparse. La etapa de disipación ocurre cuando la ascendente se
debilita debido a que el frente de ráfagas la desplaza fuera de la tormenta y deja de
sostener a la ascendente. En esta etapa las descendentes dominan la mayor parte de la
nube. Este tipo de tormentas no duran demasiado justamente porque la descendente
corta el suministro de energía dado por el aire cálido y húmedo que ingresaba a la nube.
Las gotas de nube dejan de formarse en esta etapa. En superficie se registra lluvia débil y
suaves descendentes. Una vez que la tormenta muere, las gotas que conforman la parte
baja de la nube se evaporan rápidamente y únicamente subsisten los cirrus que
conforman la parte superior del yunque. Una celda de tormenta ordinaria atraviesa las tres
etapas de su ciclo de vida en una hora o menos.
En general las tormentas de masa de aire no llegan a convertirse en tormentas severas.
Tal como se mencionó previamente, las celdas de tormenta ordinarias se desarrollan en
un entorno caracterizado por una débil cortante vertical del viento. Como consecuencia, la
descendente generada por la tormenta termina siendo la causa de su propia destrucción
al cortar el suministro de combustible que viene dado por la corriente ascendente
alimentada desde superficie por aire cálido y húmedo. Sin embargo, cuando en una región
existe una fuerte cortante vertical del viento, cuando se desarrollan tormentas éstas se
organizan en estructuras más complejas las cuales contienen más de una celda.
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Tormentas Multicelulares
Este tipo de tormentas contienen varias celdas, cada una de las cuales se encuentra en
una etapa diferente de su ciclo de vida. Tienden a formarse en regiones con una cortante
vertical moderada a fuerte en la velocidad del viento. Esto sucede cuando la intensidad
del viento se incrementa rápidamente con la altura en los niveles inferiores. Como
consecuencia, la ascendente dentro de la nube se inclina y se monta sobre la
descendente. Sobre el frente de ráfagas se van generando nuevas celdas que luego se
transforman a su vez en tormentas maduras. A diferencia de las celdas ordinarias, la
precipitación no cae dentro de la descendente y por lo tanto el suministro de energía que
mantiene a la tormenta no se corta. Este tipo de tormentas pueden sobrevivir por largos
períodos. A mayor tiempo de vida de una tormenta, mayor es la probabilidad de que
pueda transformarse en severa, por consiguiente las tormentas multicelulares persistentes
pueden ser intensas y ocasionar tiempo severo.
En aquellos casos en que la convección es intensa y la ascendente también, el aire que
asciende penetra las capas más bajas de la estratosfera produciendo lo que en inglés se
denomina overshooting top. Éste presenta el aspecto de un racimo de cúpulas por
encima de un yunque muy bien delinieado a causa del aire que se desparrama en forma
lateral al alcancar la tropopausa. A su vez, parte de este aire se hunde dentro del yunque
dando lugar a nubes mammatus. Por consiguiente, para un observador la presencia de un
overshooting top y nubes mammatus son indicios claros de convección intensa y por
consiguiente de probabilidad de ocurrencia de tiempo severo.
Cuando la atmósfera es condicionalmente inestable, la parte delantera del frente de
ráfagas pueder forzar el ascenso de aire cálido y húmedo y se forma entonces un
complejo de multicelulares, cada uno de los cuales genera a su vez nuevos frentes de
ráfagas. Éstos se fusionan entre sí dando lugar a un único y grande frente de ráfagas en
inglés denominado outflow boundary (borde del flujo saliente) que delimita el área
abarcada por el aire frío proveniente de las descendentes de las tormentas. Muchas
veces, a lo largo del outflow boundary el aire es forzado a ascender y se forman nuevas
tormentas.
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Línea de Inestabilidad
Las tormentas multicelulares pueden formarse a lo largo de una línea de tormentas,
denominada línea de inestabilidad (en inglés, squall line). Las líneas de tormentas
pueden formarse a lo largo de un frente frío y alcanzar cientos de kilómetros de extensión
o bien dentro de la masa de aire caliente entre 100 y 300 km delante del frente frío. Estas
últimas se denominan líneas de inestabilidad prefrontales, y son las más extensas y
severas de todas las líneas de inestabilidad en las latitudes medias. Tienen asociadas
grandes tormentas que provocan tiempo severo a lo largo de su traza.
Si bien no existe consenso acerca de los mecanismos que forman las líneas de
inestabilidad prefrontales, se cree que se originan en la convección que tiene lugar sobre
el frente frío. Ésta a su vez genera un tipo de ondulaciones (denominadas ondas de
gravedad) que afectan al flujo de aire delante del frente frío y disparan la generación de
tormentas a lo largo de líneas.
Existe otro tipo de líneas de inestabilidad de menor extensión e intensidad denominadas
líneas de inestabilidad ordinarias. Si bien pueden tener tormentas que ocasionen tiempo
severo, la mayoría son celdas de tormenta ordinarias organizadas en forma de línea. Este
tipo de líneas de inestabilidad se forma delante de frentes de ráfagas, cerca de un frente
estacionario, en ondas frontales débiles e inclusive sin necesidad de estar asociadas a
ningún sistema sinóptico. En las latitudes tropicales también ocurren líneas de
inestabilidad con estas mismas características.
En algunas líneas de inestabilidad, detrás de la línea delantera de tormentas y lluvia
fuerte existe un área extensa con nubes estratiformes y precipitación débil. Las nubes
estratiformes se forman bajo los yunques de cirrus que se desprenden detrás de las
tormentas localizadas en la parte delantera de la línea de inestabilidad. En la parte
posterior de esta región se produce un descenso de aire más seco proveniente del
entorno junto con la caída de la lluvia proveniente de las nubes estratiformes. Parte de
esta lluvia se evapora y torna más denso el aire descendente, provocando una
descendente muy vigorosa a lo largo de una banda bastante estrecha. Se produce
entonces una corriente de aire descendente que se caracteriza por generar vientos en
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superficie con poder destructivo inmediatamente detrás de las tormentas que conforman
línea de inestabilidad.
Complejos Convectivos de Mesoescala
Conocidos también por sus siglas en inglés MCCs (Mesoscale Convective Complexes),
se trata de grandes sistemas meteorológicos de forma más o menos circular conformados
por un gran número de intensas tormentas multicelulares. Su tamaño supera en ordenes
de magnitud al de una celda ordinaria de tormenta, es decir que pueden alcanzar cientos
de kilómetros de extensión en la horizontal y cubrir áreas de hasta cientos de miles de
kilómetros cuadrados.
Dentro de los MCCs las tormentas multicelulares individuales se organizan para
conformar un sistema de mayor escala que se caracteriza por su lento desplazamiento
(en general menos de 20 kts.) y poseen un tiempo de vida que puede superar las 12
horas. La circulación asociada a los MCCs favorece el desarrollo de nuevas tormentas
como así también una extensa área afectada por precipitación. Por un lado, estos
sistemas son muy requeridos por los agricultores para proveer agua a sus cultivos. Sin
embargo, dentro de un MCCs también suelen ocurrir fenómenos severos.
Los MCCs son más comunes en verano bajo condiciones de viento débil en altura, o sea
en ausencia de corrientes en chorro de niveles altos y bajo la acción de una cuña. Debajo
de ésta se estaciona un frente y del lado del aire caliente se forma una corriente en chorro
en niveles bajos (entre 1 y 3 km de altura) que transporta aire cálido y húmedo de origen
tropical. Esta corriente en chorro a su vez provee la cortante vertical de viento suficiente
para la formación de tormentas multicelulares. La mayoría de los MCCs adquiere su
máxima intensidad en horas de la madrugada en coincidencia con la máxima intensidad
de la corriente en chorro en capas bajas. Por otra parte, durante la noche el tope de las
tormentas irradia energía infrarroja hacia el espacio provocando un enfriamiento adicional
en la parte superior del sistema y por lo tanto inestabilizando aún más el entorno. El calor
latente liberado en el interior de las tormentas constituye una importante fuente de
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energía. Una vez conformado el MCCs, éste se regenera permanentemente dando origen
a nuevas tormentas multicelulares a medida que la más antiguas se van disipando.
En América del Sur este tipo de sistemas aportan una importante fracción de las
precipitaciones estivales en la región subtropical del continente al este de Los Andes.
Superceldas de Tormenta
Este tipo de tormentas se dan a partir de una tormenta intensa que se desarrolla en un
entorno con fuerte cortante vertical del viento, es decir un marcado cambio en la dirección
y en la intensidad del viento con la altura en los primeros kilómetros desde superficie. Bajo
esta condición, en el estado maduro la descendente con aire frío no puede cortar a la
corriente ascendente que provee de energía a la tormenta. El cambio de dirección e
intensidad del viento con la altura genera un efecto de rotación en la corriente
ascendente. A este tipo de corrientes ascendentes con rotación entorno de un eje vertical
se las denomina mesociclones, y a las tormentas que las contienen se las denomina
superceldas. Este tipo de tormentas son aquellas que pueden producir eventualmente
tornados.
La estructura de una supercelda es comparable con un sistema termodinámico en
estado de régimen capaz de permanecer así durante horas. Este tipo de tormentas
pueden producir una corriente ascendentes muy violentas, vientos destructivos en
superficie y grandes tornados. Debido a la fuerza de la ascendente, las partículas de
granizo pueden residir suficiente tiempo en la nube como para ocacionar caída de granizo
del tamaño de una pera. Se han registrado topes de superceldas por encima de 15 km de
altitura.
Estructura de una supercelda típica
Vista desde el noreste en el hemisferio sur, se aprecia el mesociclón en el lado sur como
una columna de aire que rota. Debido a la intensa velocidad del aire que asciende, no
ocurre precipitación bajo la nube en esta zona denominada base sin lluvia. Los intensos
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vientos del noroeste en altura normalmente arrastran la precipitación hacia el sudeste. En
general, el granizo de gran tamaño cae justo al sur de la ascendente y la lluvia más
intensa al sur de donde cae el granizo, mientras que la lluvia de menor intensidad ocurre
en el sector sudeste de la tormenta. Cuando el aire húmedo de niveles bajos es atrapado
por la ascendente, suele descender una nube con rotación denominada nube pared
desde la base de la tormenta.