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Modelo Conceptual
Descripción
Modelo E3 - Física del Vapor de Agua, Nubes y Microfísica
El modelo conceptual busca comprender los mecanismos que dan origen a un comportamiento, y describirlos de la forma más simple posible. Para eso, el comportamiento se segmenta en temas (grupos): cada uno identifica los objetos o variables que participan —tanto en su funcionamiento normal como en sus posibles anomalías o desviaciones— y describe, mediante verbos, la forma en que esos objetos interactúan entre sí. El resultado es lo que llamamos una red semántica: la estructura con la que representamos y comunicamos el modelo conceptual, antes de introducir ecuación alguna.
ID:4933
Estructura de los Grupos
Descripción
El primer paso consiste en analizar la descripción general del modelo e identificar los distintos aspectos que intervienen en el fenómeno y que deben ser representados. Cada uno de estos aspectos se organiza como un grupo, entendido como una unidad conceptual coherente que describe una parte específica del funcionamiento del modelo.
Cada grupo reúne los objetos o conceptos relevantes para ese aspecto y las relaciones o verbos que describen cómo interactúan, se modifican o dependen unos de otros. De esta manera, cada grupo constituye una parte de la red semántica del modelo, mientras que el conjunto de los grupos permite representar de forma estructurada su funcionamiento global.
La división en grupos facilita además separar mecanismos, condiciones, procesos y resultados que cumplen funciones diferentes dentro del modelo, manteniendo al mismo tiempo las relaciones que existen entre ellos. Los grupos no son, por tanto, componentes aislados: pueden compartir conceptos y establecer relaciones entre sí, formando conjuntamente una única representación semántica del fenómeno.
La imagen anterior ofrece una visión general de los distintos aspectos en que se ha estructurado el modelo. A continuación se presentan los grupos identificados, indicando para cada uno su título y una breve descripción del aspecto del modelo que representa.
Grupo 1: Grupo 1: Saturación y capacidad de vapor
Capacidad de vapor en saturación
Grupo 2: Grupo 2: Nucleación heterogénea de gotas
Núcleos de condensación
Grupo 3: Grupo 3: Crecimiento difusivo de gotas
Crecimiento por difusión
Grupo 4: Grupo 4: Colisión-coalescencia en nubes cálidas
Gota colectora
Grupo 5: Grupo 5: Bergeron-Findeisen en nubes mixtas
Cristales de hielo
Grupo 6: Grupo 6: Parametrización de distribuciones de hidrometeoros
Distribución de tamaños
Grupo 7: Grupo 7: Precipitación y observación radar
Precipitación
ID:1796
Grupo 1: Grupo 1: Saturación y capacidad de vapor
Descripción
Capacidad de vapor en saturación
Pregunta clave: ¿Cómo controla la temperatura cuánto vapor puede contener el aire antes de saturarse?
Capacidad de vapor en saturación 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. 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.
ID:3934
Grupo 2: Grupo 2: Nucleación heterogénea de gotas
Descripción
Núcleos de condensación
Pregunta clave: ¿Cómo se transforma el vapor sobresaturado en las primeras gotas líquidas de nube?
Núcleos de condensación 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. 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.
ID:3935
Grupo 3: Grupo 3: Crecimiento difusivo de gotas
Descripción
Crecimiento por difusión
Pregunta clave: ¿Cómo crece una gota recién formada por condensación continua de vapor?
Crecimiento por difusión 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. 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.
ID:3936
Grupo 4: Grupo 4: Colisión-coalescencia en nubes cálidas
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Gota colectora
Pregunta clave: ¿Cómo produce el tamaño creciente una realimentación que acelera la formación de gotas de lluvia?
Gota colectora 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. 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. 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.
ID:3937
Grupo 5: Grupo 5: Bergeron-Findeisen en nubes mixtas
Descripción
Cristales de hielo
Pregunta clave: ¿Cómo crecen los cristales de hielo a expensas de gotas líquidas sobreenfriadas?
Cristales de hielo 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.
ID:3938
Grupo 6: Grupo 6: Parametrización de distribuciones de hidrometeoros
Descripción
Distribución de tamaños
Pregunta clave: ¿Cómo representar colectivamente muchas gotas y cristales sin seguir cada partícula?
Distribución de tamaños 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. 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. 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.
ID:3939
Grupo 7: Grupo 7: Precipitación y observación radar
Descripción
Precipitación
Pregunta clave: ¿Cómo se conecta la evolución microfísica con el inicio, tipo e intensidad observable de la precipitación?
Precipitación 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.
ID:3940