La humedad atmosférica. las precipitaciones - La condensación

La condensación es el proceso por el que el vapor de agua atmosférico se transforma en agua líquida. El vapor de agua necesita de un soporte material donde condensarse. Normalmente son impurezas del aire. Otras veces el agua condensa sobre la superficie de objetos con temperatura inferior al punto del rocío. Algunas partículas pequeñas de agua condensadas permanecen en el aire formando nubes, mientras otras precipitan como lluvia, nieve o granizo.

3.1 Los mecanismos de saturación

Como el aire puede contener mayor cantidad de vapor de agua cuanto mayor sea su temperatura, la circunstancia más favorable para su saturación es que se enfríe. Las circunstancias que provocan que el aire alcance el punto de saturación son: mezcla de masas de aire a distintas temperaturas; enfriamiento por contacto; enfriamiento dinámico de la atmósfera; mezcla de masas de aire no saturadas a distinta temperatura. Al no ser lineal la relación entre temperatura y la humedad, la mezcla de ambas puede llegar al punto de saturación. Las masas de aire de diferentes características térmicas e higrométricas poseen densidades distintas, y su mezcla no suele ser frecuente. Por el contrario, su separación formando un frente provoca otro tipo de condensación y precipitación.

Enfriamiento por contacto

Tiene lugar cuando una masa de aire caliente se desplaza sobre una superficie fría. En el invierno, las masas de aire oceánico, cálidas y húmedas, sobre todo por la noche, en contacto con la superficie terrestre más fría, se enfrían por debajo del punto del rocío, dando origen a nieblas por condensación de vapor de agua. También puede darse esta situación (llamada pared fría) en el verano, sobre la superficie fría del mar, cuando una masa de aire cálido procedente de la tierra se pone en contacto con el agua.

Enfriamiento por ascendencia

Es el mecanismo más eficaz. Es responsable de fuertes condensaciones y abundantes precipitaciones al producirse en amplios volúmenes de aire. El origen de la ascendencia puede ser térmico (aire calentado en la base), dinamico (ascensión por convergencia) u orográfico (el aire se eleva por irregularidades del relieve). Los movimientos ascendentes y descendentes del aire son de gran importancia para comprender la condensación y precipitación atmosféricas. Si la ascendencia tiene lugar rápidamente, sin intercambio de calor con el exterior (adiabático), el aire disminuye su temperatura aproximadamente 1°C por cada 100 m de desnivel. A aprtir de alcanzar el punto de saturación, se produce la condensación y la liberación de enrgía del paso de vapor a líquido (calor latente de condensación).

El enfriamento por la disminución de la presión queda compensado, reduciéndose a la mitad (0’5°C por cada 100 m). A este descenso térmico se le llama enfriamiento adiabático húmedo, para diferenciarlo del que tiene lugar antes de la saturación (enfriamiento adiabático seco).

3.2 Los tipos de ascendencias

Ascensiones convectivas

La masa de aire se eleva por calentamiento del suelo, al perder densidad y presión, y sube hasta encontrar una masa atmosférica de igual o mayor temperatura, momemnto en que se estabiliza. Son frecuentes en regiones tropicales y ecuatoriales, así como en latitudes medias en tormentas de verano. Su origen es fundamentalmente térmico.

Ascensiones orográficas

Si el aire en movimiento se encuentra con algún obstáculo montañoso, se eleva por la vertiente de barlovento y desciende por la de sotavento. La ascensión incrementa su efecto si la corriente contiene un alto porcentaje de humedad, como en el caso de las barrenas montañosas próximas al mar, cuando el aire es empujado del océano al continente. Si la disposición de las montañas es perpendicular, las precipitaciones son aún más abundantes.

Una vez superada la cumbre, la subsidencia del aire provoca un calentamiento, originando el efecto foëhn. El aire de la vertiente de sotavento se deseca y disminuye su humedad relativa según desciende, debido al aumento de la presión.

Ascensiones frontales o ciclónicas

El avance de lso frente cálido y frío provoca la elevación del aire, que puede ocasionar la saturación y posterior condensación del vapor de agua. La pendiente del frente frío es superior a la del cálido. La brusca elevación del aire caliente por acción del frente frío provoca lluvias abundantes, que contrastan con las de menor intensidad del frente cálido, ocasionando así una sucesión de diferentes tiempos atmosféricos.

La perturbación comienza con lluvias suaves y moderadas (frente cálido), mejora con la llegada del aire cálido y termina con gran inestabilidad provocada por el frente frío. Los obstáculos orográficos incrementan los efectos desestabilizadores. El frente cálido puede aumentar su pendiente al verse deformado por una montaña, mientras que la llegada del frente frío expulsa el aire caliente entre éste y la montaña de forma violenta.

3.3 Estabilidad e inestabilidad atmosféricas

Resumiendo los conceptos: El aire al elevarse se enfría (1°C/100m en el enfriamiento adiabático seco y 0’5°C/100m en el húmedo). El enfriamiento del aire provoca la saturación, condensación y precipitación del vapor de agua atmosférico.

La ascensión del aire se ve facilitada por mecanismos orográficos, termo-convectivos y frontales. Es decir, el aire comienza un movimiento de ascensión, principal mecanismo de la condensación (enfriamiento adiabático), por causas térmicas (convección), mecánicas (obstáculo montañoso) y dinámicas. El gradiente estático del aire de la troposfera tiene que ver con las posibilidades de que el aire siga progresando en altura. Debemos distinguir entre la variación de la temperatura debida a la ascensión del aire (volumen de aire en movimiento) y la estructura térmica vertical de la atmósfera en reposo. De forma general, siempre que la temperatura del aire ascendente sea más elevada que la del aire que le rodea, su densidad será menor y tenderá a seguir elevándose (inestabilidad). Si el aire ascendente alcanza una temperatura inferior a la de las capas de aire estacionario (sin estar obligado a ascender por motivos orográficos, etc.), su densidad será superior y el movimiento se detendrá (estabilidad). La situación de estabilidad/inestabilidad depende tanto de las características del aire estático como del aire ascendente. Un gradiente estático reducido permitirá que el aire iguale pronto la temperatura de la atmósfera, estabilizándose, al contrario que con un gradiente estático elevado. A igualdad del gradiente estático, la inestabilidad será más manifiesta cuanto mayor sea la humedad relativa del aire ascendente. Si no existiera variación del gradiente atmosférico, el aire inestable podría alcanzar la tropopausa. La posible existencia de una inversión térmica sería la causa de la estabilización posterior. Si el desplazamiento vertical del aire está causado por la presencia de un obstáculo orográfico, el movimiento ascensional se mantendrá hasta alcanzar la cumbre. Una vez allí, continuará o no la elevación dependiendo de la estabilidad o inestabilidad atmosférica.

3.4 Condensación y formación de nubes. Los mecanismos de precipitación

El mecanismo de la condensación

El vapor de agua, al alcanzar la saturación, puede condensar, dando lugar a la aparición de nieblas o nubes, mezcla o disolución de una masa de pequeñas gotitas de agua líquida o hielo en una masa de aire. La condensación constituye la primera fase del mecanismo de la precipitación, y en la segunda fase las gotitas incrementan su tamaño hasta que precipitan y caen por su propio peso. Para que la condensación tenga lugar son necesarias pequeñas partículas a modo de núcleos de condensación (tamaño inferior a 0’1m), y de variada procedencia. La presencia de iones acelera elproceso de condensación, que puede comenzar incluso antes de que el aire esté saturado. Algunos elementos procedentes de la contaminación industrial poseen un gran poder de atracción sobre las moléculas de agua, lo que explica la formación de nieblas en zonas industriales y urbanas por la abundancia de polvo y sustancias de desecho. La ausencia de estos núcleos puede provocar que el aire sobrepase el grado de saturación sin producirse el cambio de estado. Este hecho podría tener lugar en una atmósfera limpia y poco contaminada, pero supondría un equilibrio inestable en el que la condensación se alcanzaría bruscamente. El proceso de formación e incremento de tamaño de las gotas de agua aún está por explicarse en detalle. La velocidad de crecimiento de las gotas es mayor en la primera fase de la condensación, y disminuye según alcanzan el tamaño definitivo. El volumen del agua es muy superior al del núcleo o impureza que le sirve de soporte.

Tipos de nubes

La forma y transparencia de las nubes nos informa sobre su formación. La forma nos indica los movimientos del aire: si es inestable, la ascensión del mismo va modelando la nube, dibujando sus contornos (nubes cumuliformes). Por el contrario, el aire estable produce nubes planas de forma tabular, sin espesor, denominadas estratos.

Nubes cumuliformes

Dentro de las nubes cumuliformes, los cúmulos son las más características. Son nubes algodonosas de color blanco, y pueden ser grises en su base o en partes a la sombra. Con buen tiempo suelen ser pequeñas. Cuando la inestabilidad atmosférica es mayor, aparecen los cúmulo-nimbos, nubes tormentosas de gran tamaño, con grandes precipitaciones y aparato eléctrico. Son reconocibles por su forma de yunque. Las corrientes descendentes del aire suelen ser violentas, lo que permite mantener, pese a su peso, el granizo en suspensión, posibilitando su formación y crecimiento. En latitudes templadas pueden alcanzar hasta 5 ó 6 km de altura, pero en regiones tropicales la inestabilidad posibilita su ascenso hasta la troposfera. La parte superior de la nube presenta un blanco intenso debido a los cristales de hielo que la forman.

Nubes estratiformes

Las nubes estratiformes son más largas que gruesas y se subdividen según la altura a la que se encuentran:

·          Cirros (6000-12000m): nubes de hielo, delgadas y transparentes, que permiten el paso de la luz solar o lunar. Hay formas características, como los cirrostratos (velos ligeros que producen un halo característico) y los cirrocúmulos (masas globulares apretadas, que se conocen como cielo aborregado).

·          Altoestratos y altocúmulos (2000-6000m): los primeros se disponen en una capa que cubre la totalidad del cielo. Los altocúmulos aparecen en pequeños cúmulos de formas geométricas. Su presencia es signo de condiciones atmosféricas benignas.

·          Nimboestratos y estratocúmulos (debajo de 2000m): son las nubes bajas, sombrías y cargadas de agua, que precipitan con mayor intensidad.

Desarrollo de las nubes

En las perturbaciones frontales los distintos tipos de nubes desfilan con el paso de los frentes frío y cálido. Al aproximarse la perturbación aparecen los cirros filamentosos, los cirroestratos y los cirrocúmulos. A medida que la perturbación se aproxima al suelo, se ven nubes más bajas, altoestratos y nimboestratos, con los que comienza la lluvia. La débil inclinación del frente cálido ocasiona precipitaciones moderadas. El escaso intervalo de aire cálido suele ir acompañado de altocúmulos, con mejoría del tiempo. La llegada del frente frío provoca inestabilidad y nubes de desarrollo vertical (cúmulo-nimbos), y las precipitaciones son de mayor violencia.

La formación de lluvia, nieve y granizo

La precipitación aparece al producirse en la nube la condensación a gran escala. Una gota (0’5-3mm), al precipitar, estaría formada aproximadamente por un millón de gotitas de la nube (10-25m).

El mecanismo productor de la lluvia plantea aún grandes interrogantes. Parece que son dos los mecanismos que podrían originar la formación de las gotas de lluvia:

·          Coalescencia: responsable de la colisión y fusión de las gotas, que aumentan el tamaño al descender por gravedad.

·          Proceso de los cristales de hielo: la tendencia de los cristales a crecer ocasionaría que éstos alcanzasen un tamaño de varios cientos de micras. Los cristales podrían fusionarse entre sí, provocando su precipitación. Si la temperatura fuese baja, los cristales podrían llegar sólidos en forma de nieve.

Los tipos de precipitación dependen de las características de la ascendencia del aire y de la temperatura debajo de las nubes. La lluvia es la forma más común de precipitación. Las gotas pueden alcanzar hasta 7 mm de diámetro (por debajo de 0’5 mm recibe el nombre de llovizna, y por encima de 7 mm se tiende a romper en gotas más pequeñas).

En alguna borrasca en invierno se produce a veces la inversión térmica en los 2 kms inferiores de la atmósfera, originando lluvias de características especiales. Una vez que funden los copos de nieve, si el agua debe atravesar una capa más fría, se congela y se produce aguanieve.

La nieve se produce cuando la temperatura de congelación está tan próxima al suelo que los conglomerados de cristales de hielo alcanzan la superficie antes de fundirse. Generalmente el nivel de congelación se encuentra por debajo de los 300 m de altura. Al microscopio de aprecian sus formas de cristales hexagonales o prismas.

El granizo es una precipitación característica de los cúmulo-nimbos. Las corrientes ascensionales llevan las gotas arriba, enfriándolas y solidificándolas, aumentando su tamaño. Al final, la bola de granizo cae por efecto de la gravedad. El granizo es un destructor de cultivos y llega a alcanzar tamaños increíbles. Tiene estructura interna con capas de hielo lechoso y casi transparente, como una cebolla.

Medida de la precipitación

La medida de la precipitación se hace por el espesor o profundidad alcanzado por el agua. La medición se hace con referencia a un período de tiempo de recogida de la precipitación. Una precipitación de 20mm significaría que el suelo estaría cubierto de agua hasta esa altura si no existieran pérdidas por escorrentía, evaporación o filtración. Otra unidad de medida es el litro/m2, que indica el número de litros de agua recogidos por cada m2 de superficie. Su valor es equivalente al mm (1 l/m2 = 1mm). La nieve se mide de la misma manera, indicando la altura alcanzada en un tiempo determinado. Puede convertirse también en agua y realizar la medición (la relación es 1:10, 10mm nieve = 1mm agua).