E3 Física del Vapor de Agua, Nubes y Microfísica

Tópico

La microfísica de nubes describe cómo se forman, crecen y finalmente precipitan los hidrometeoros: las gotas de agua líquida, los cristales de hielo, los copos de nieve y el granizo que se forman dentro de una nube. Todo ese proceso empieza con cuánto vapor de agua puede contener el aire antes de saturarse, una cantidad que sigue la ecuación de Clausius-Clapeyron: la capacidad del aire para contener vapor de agua aumenta de forma exponencial con la temperatura, de modo que por cada grado que sube la temperatura, el aire puede contener alrededor de un siete por ciento más de vapor de agua que antes.

Cuando la humedad relativa del aire supera apenas el cien por ciento —es decir, cuando el aire está ligeramente sobresaturado— el vapor de agua empieza a condensarse sobre los núcleos de condensación, diminutas partículas suspendidas en el aire que le dan a las moléculas de vapor una superficie sobre la cual agruparse; ese proceso es la nucleación heterogénea, el primer paso que convierte el vapor de agua invisible en la primera gota líquida de la nube.

Una vez formada, esa primera gota crece por difusión de vapor siguiendo la ecuación de Maxwell: las gotas más grandes crecen más rápido que las pequeñas, porque tienen más superficie sobre la cual el vapor de agua puede seguir condensándose. Esa ventaja de las gotas grandes se vuelve decisiva cuando entra en juego el proceso de colisión-coalescencia, el mecanismo dominante de formación de lluvia en las nubes cálidas: las gotas más grandes, al caer más rápido que las pequeñas, las alcanzan, colisionan con ellas y se funden en una sola gota todavía más grande; y cuanto más grande se vuelve una gota, más rápido cae y más gotas pequeñas alcanza a atrapar en su camino, de modo que la propia gota que colisiona hoy es más grande mañana, y esa gota más grande vuelve a colisionar con más fuerza todavía, hasta que el tamaño creciente de la gota se convierte en el motor de su propio crecimiento y termina formando una gota de lluvia.

En las nubes mixtas, las que están solo parcialmente glaciadas, conviven las gotas líquidas sobreenfriadas con los cristales de hielo, y ahí entra en juego un tercer mecanismo de crecimiento: el proceso de Bergeron-Findeisen. La presión de saturación sobre el hielo es menor que la presión de saturación sobre el agua líquida, así que el aire que está en equilibrio con las gotas líquidas sobreenfriadas queda sobresaturado respecto al hielo; el vapor de agua se condensa entonces preferentemente sobre los cristales de hielo, que crecen, mientras las gotas líquidas sobreenfriadas que rodean a esos cristales se evaporan para reponer el vapor que los cristales de hielo van consumiendo. Así, en una nube mixta, los cristales de hielo crecen a expensas de las gotas líquidas sobreenfriadas que tienen alrededor.

Para representar todos estos procesos dentro de un modelo numérico sin seguir gota por gota o cristal por cristal, la microfísica de nubes se parametriza describiendo, en cambio, cómo se distribuyen los tamaños de todas las gotas o los cristales de una nube a la vez, usando distribuciones de tamaño con una forma característica, y resumiendo el comportamiento colectivo de toda esa distribución en unas pocas cantidades: la masa total, el número total de partículas y la reflectividad total que produce el conjunto.

El resultado esperado de todo este encadenamiento —desde la primera gota que nuclea sobre un núcleo de condensación hasta la colisión-coalescencia o el proceso de Bergeron-Findeisen que la hacen crecer— es que la nube empieza a precipitar entre veinte y cuarenta minutos después de haberse formado, con una tasa de precipitación que resulta proporcional a la misma reflectividad que mide el radar meteorológico: cuanto mayor es la reflectividad que producen los hidrometeoros de la nube, mayor es la tasa de precipitación que esa nube deja caer. Así, la microfísica de nubes conecta, en una sola cadena, la humedad invisible del aire con la lluvia, la nieve o el granizo que termina llegando al suelo.

ID:2125