Transcript
165202 - CLIMATOLOGÍA Y METEOROLOGÍA TEMAS PARCIAL 1. PRECIPITACIÓN 1.1 DEFINICIÓN Se conoce como precipitación a la cantidad de agua que cae a la superficie terrestre y proviene de la humedad atmosférica, ya sea en estado líquido (llovizna y lluvia) o en estado sólido (escarcha, nieve, granizo). La precipitación es uno de los procesos meteorológicos más importantes para la Hidrología, y junto a la evaporación constituyen la forma mediante la cual la atmósfera interactúa con el agua superficial en el ciclo hidrológico del agua. La evaporación de la superficie del océano es la principal fuente de humedad para la precipitación, se puede decir que es el 90% de la precipitación que cae en el continente. Sin embargo, la mayor cantidad de precipitación no necesariamente cae sobre los océanos, ya que la circulación atmosférica transporta la humedad grandes distancias, como evidencia de ello se pueden observar algunas islas desérticas. La localización de una región con respecto a la circulación atmosférica, su latitud y distancia a una fuente de humedad son principalmente los responsables de su clima. En hidrología necesita considera la precipitación en relación a los límites geográficos naturales del terreno donde índice, o sea, las cuencas de los causes hídricos superficiales. Durante el ciclo del agua, se lleva a cabo un proceso conocido como evaporación en el cual el agua líquida de los océanos, ríos, lagos y otros cuerpos de agua (e incluso de las plantas) se incorpora a la atmósfera en forma de vapor de agua. Este vapor sube y se acumula en la atmósfera, dando lugar a las nubes. Las nubes están compuestas básicamente gotitas de agua, polvo, hielo y sal. Cuando se elevan ampliamente pueden formar cirrostratos (nubes de hielo muy tenues) y altoestratos (nubes espesas de hielo y agua). 1.2 ORIGEN Existen dos teorías ampliamente admitidas que explican la formación y crecimiento de las gotas de lluvia en el seno de una nube. Ambas teorías, aunque diferentes, no resultan excluyentes entre sí. 1.2.1 Teoría de Bergeron y Findeisen . Propuesta en 1933 por el meteorólogo de srcen sueco Bergeron y completada por el físico alemán Findeisen en 1938, se basa en la coexistencia de gotas (agua líquida sobre enfriada), con diminutos cristales de hielo (agua en estado sólido) dentro de una nube que se encuentra a una temperatura inferior a los 0º C. El vapor de agua sublima sobre la superficie de los cristales de hielo, cuyo crecimiento responde a una paulatina disminución de la humedad en la nube. La disminución de la humedad en el seno de una nube deja la masa de aire insaturada respecto a las gotas de agua, hecho que permite la evaporación de otras nuevas hasta conseguir restablecer el equilibrio. En una masa de aire puro, aun con temperaturas inferiores a los -30º, las nubes no llegan a generar concentraciones de cristales de hielo significativas. Razón por la cual, la teoría de Bergeron y Findeisen necesita la intervención de partículas que faciliten el proceso de congelación del agua sobre enfriada, y la formación de cristales de hielo a temperaturas superiores. Estas partículas se conocen con el nombre de núcleos de congelación y se encuentran constituidas principalmente por diminutas partículas de minerales y arcillas en suspensión, que se encuentran en la atmósfera. 1.2.2 Teoría de Colisión y Coalescencia. Teoría que explica las precipitaciones generadas en nubes cálidas, como las de se srcinan por convección en zonas ecuatoriales y tropicales, que nunca alcanzan el nivel de congelación y por consiguiente carecen de cristales de hielo. Según esta teoría el crecimiento de las gotas de lluvia se debe a la colisión y coalescencia de gotas con diversos tamaños, de manera que las mayores presentan velocidades de caída superiores, lo que provoca su colisión y crecimiento al fusionarse unas con otras. El paulatino crecimiento de las gotas de agua, incrementa sus respectivas velocidades de caída, así como la probabilidad de colisionar con otras nuevas, lo que permite alcanzar el tamaño de las gotas de lluvia con una considerable rapidez. La velocidad de caída de las gotas de agua en la atmósfera, se encuentra condicionada por la gravedad y la resistencia al aire en su avance, de forma que al equilibrarse resulta una velocidad constante relacionada con su radio. 1.3 FORMACIÓN DE LA PRECIPITACIÓN La humedad siempre está presente en la atmósfera, aún en los días sin nubes. Para que ocurra la precipitación, se requiere algún mecanismo que enfríe el aire lo suficiente para que llegue de esta manera al, o cerca del, punto de saturación. Los enfriamientos de grandes masas, necesarios para que se produzcan cantidades significativas de precipitación, se logran cuando ascienden las masas de aire. Este fenómeno se lleva a cabo por medio de sistemas convectivos o convergentes que resultan de radiaciones desiguales las cuales producen calentamiento o enfriamiento de la superficie de la tierra y la atmósfera, o por barreras orográficas. Sin embargo, la saturación no conlleva necesariamente la precipitación. 1.3.1 Condensación y Núcleos de Congelamiento Suponiendo que el aire está saturado, o muy cerca de este punto, la formación de neblina, gotas de agua o cristales de hielo requiere por lo general de la presencia de núcleos de condensación o congelamiento, sobre los cuales se forman las gotas de agua o los cristales de hielo. Estos núcleos son pequeñas partículas de varias sustancias, no necesariamente higroscópicas, cuyo tamaño por lo general está entre 0,1 y 10 μm de diámetro. Aquellos cuyo diámetro es menor que 3 μm están comprendidos dentro del rango de aerosoles y pueden permanecer suspendidos indefinidamente en el aire, excepto cuando se forma la precipitación. Los núcleos de condensación consisten por lo general en productos de combustión, óxidos de nitrógeno y partículas de sal. Estas últimas son las más efectivas y aún con humedades tan bajas como del 75% pueden producir condensación. Después de la nucleación, la gota de agua o el cristal de hielo crecen hasta que su tamaño se vuelve visible en una fracción de segundo a través de un proceso de difusión de vapor de agua hacia éste, pero a partir de ese momento en adelante, el crecimiento es muy lento. La difusión por sí misma lleva únicamente a la formación de neblina o elementos de la nube que por lo general son menores de 10 μm en diámetro, alcanzando algunos de ellos hasta 50 μm. Puesto que la condensación tiende a agrandar las gotas de agua o los cristales de hielo aproximadamente a los mismos valores, las diferencias en tamaño resultan principalmente de las que poseen los núcleos sobre los cuales se forman. Mientras loe elementos de una nube tienden a asentarse, el peso de un elemento promedio es tan pequeño que se requiere únicamente de un leve movimiento de aire hacia arriba para mantenerlo en suspensión. La mayoría de las gotas de agua en estado no precipitable tienen diámetros menores de 10 μm, y una corriente ascendente menor de 0,5 cm/s, es suficiente para evitar que aquéllas caigan. Debido a que los cristales de hielo de peso equivalente tienen un tamaño mucho más grande, se pueden sostener con velocidades aún más bajas. 1.3.2 Caída de las Gotas Las velocidades hacia arriba, por debajo de las nubes y en las nubes, a menudo sobrepasan los valores necesarios para sostener los elementos dentro de aquéllas; por esta razón, para que ocurra precipitación, tales elementos deben aumentar su tamaño hasta que su velocidad de caída exceda a la ascensional del aire. Por otra parte, dichos elementos deben ser también lo suficientemente grandes para penetrar en el aire no saturado que se encuentra por debajo de la base de la nube, sin evaporarse completamente antes de llegar a la tierra. Una gota de agua que cae desde la base de una nube a un kilómetro sobre el suelo, en aire que tenga 90% de humedad relativa y que se está elevando a 10 cm/s, requeriría de un diámetro de aproximadamente 440 μm para llegar a la tierra con un diámetro de 200 μm, límite que se considera a menudo como el que hay entre el tamaño de las gotas en una nube y el tamaño precipitable. Si todas las gotas de una nube fueran del mismo tamaño, se encontrasen a la misma temperatura y estuvieran formadas por agua líquida, la nube se mantendría en equilibrio termodinámico, sin dar lugar a la formación de gotas gruesas capaces de constituir precipitación. A destruir el referido equilibrio contribuyen diversos factores, entre los que se pueden identificar básicamente: ã La diferencia de tamaño entre las gotas de la nube ã La diferencia de temperatura entre regiones próximas de la nube ã La coexistencia, en una región de la nube, de gotas de agua y de cristales de hielo ã El aumento del tamaño de las gotas mayores por captura, mediante choques, de otras gotas Las gotas de lluvia pueden crecer hasta alcanzar un diámetro de aproximadamente 6 mm, a partir del cual las gotas se rompen. La velocidad máxima de caída, o velocidad terminal, que para gotas de 0,5; 1; 2; 3 y 4 mm es respectivamente de 2,0; 4,0; 6,5; 8,1 y 8,8 m/s, tiende a nivelarse asintóticamente en un valor del orden de 9 m/s, cuando las gotas de agua se acercan a un tamaño máximo precedentemente mencionado, debido al aumento de la resistencia del aire a medida que caen. 1.3.3 Contenido Máximo de Agua Líquida en las Nubes El contenido máximo de agua líquida en una nube no precipitable varía por lo general desde 0,5 g/m³ en nubes que forman estratos delgados hasta 4 g/m³ en cúmulos muy anchos, aunque ocasionalmente se han determinado valores mayores. Las nubes que tienen concentraciones de 4 g/m³ o más, por lo general producen precipitación que llega a la tierra. Las cantidades precipitadas tienden a estar correlacionadas con el contenido de agua líquida. Para lluvias fuertes se ha determinado en forma estimativa que la intensidad de la lluvia aumenta alrededor de 25 mm/h por cada g/m³ de agua contenida en la nube. 1.4 IMPORTANCIA Las precipitaciones son importantes porque ayudan a mantener el balance atmosférico. Sin precipitaciones, todas las tierras del planeta serian desiertos. La precipitación forma parte del ciclo del agua y gracias a este componente, los seres vivos obtienen el agua dulce que necesitan para vivir. Después de caer, se evapora y se eleva a la atmósfera en forma de gas, se condensa y desciende de nuevo. El proceso se repite una y otra vez. Sobra decir que toda precipitación es base de la vida. Si el vapor de aire quedara simplemente suspendido, los cuerpos de agua se secarían y no habría vida alguna. Permite que crezcan las plantas, que la agricultura sea exitosa y provea alimentos a los seres humanos. Las precipitaciones ayudan a los granjeros a crecer su siembra y nos proporcionan agua fresca para beber. Las precipitaciones también pueden ser dañinas. Demasiada lluvia puede ocasionar inundaciones severas y muchos accidentes automovilísticos. El granizo puede dañar siembras y autos. La lluvia helada y el agua nieve pueden destruir árboles y torres de poder eléctrico. 1.5 CLASIFICACIÓN DE LA PRECIPITACIONES 1.5.1 Por la Causa del Ascenso de la Masa Húmeda En general, las nubes se forman por enfriamiento del aire por debajo de su punto de saturación. Este enfriamiento puede tener lugar por varios procesos, que conducen al ascenso adiabático con el consiguiente descenso de presión y descenso térmico asociado. La intensidad y cantidad de precipitación dependerán del contenido de humedad del aire y de la velocidad vertical. De acuerdo con la causa que srcina este ascenso de la masa húmeda, pueden distinguirse distintos tipos de precipitación: ciclónica, convectiva y orográfica. 1.5.1.1 Precipitación Ciclónica: Es la que resulta del levantamiento del aire que converge en un área de baja presión o centro ciclónico, pudiéndose presentar como precipitación frontal y no frontal. ã Precipitación no Frontal: Puede ocurrir en cualquier depresión barométrica, resultando el ascenso debido a la convergencia de masas de aire que tienden a rellenar la zona de baja presión. ã Precipitación Frontal: Resulta del levantamiento de aire cálido a un lado de una superficie frontal sobre aire más denso y frío; puede en consecuencia estar asociada a un frente frío o cálido. ã Precipitación de Frente Caliente: Se forma cuando el aire avanza hacia arriba sobre una masa de aire más frío. La magnitud del ascenso es relativamente baja puesto que la pendiente promedio de la superficie frontal es por lo general de 1:100 a 1:300. La precipitación puede extenderse de 300 a 500 km por delante del frente, y por lo general la lluvia resultante varía entre ligera a moderada y continúa hasta que termina el paso del frente. ã Precipitación de Frente Frío: Es de naturaleza corta y se forma cuando el aire cálido es obligado a subir por una masa de aire frío que está avanzando. Los frentes fríos se mueven más rápidamente que los calientes, y sus superficies frontales tienen pendientes que varían entre 1: 50 y 1:150, es decir con mayor pendiente que los anteriores. En consecuencia, el aire cálido se eleva mucho más rápidamente en este tipo de frentes, y las intensidades de la precipitación son por lo general mucho mayores, frecuentemente de tipo tormentoso. 1.5.1.2 Precipitación Convectiva: Este tipo de precipitación tiene su srcen en la inestabilidad de una masa de aire más caliente que las circundantes. Estas diferencias de temperatura pueden ser el resultado de calentamientos diferenciales en superficie o en la parte superior de la capa de aire. Así, la masa de aire más liviana por su mayor temperatura, asciende y supera el nivel de equilibrio debido a la velocidad vertical adquirida, formándose la característica nubosidad de tipo cumuliforme, srcen de las precipitaciones en forma de chubascos o tormentas, generalmente de tipo puntual. 1.5.1.3 Precipitación Orográfica: Se denomina así a la precipitación que tiene srcen en el ascenso de la masa de aire forzado por una barrera montañosa. Se presentan en forma de lluvia o nieve, siendo muy irregulares en importancia y localización. A veces, en casos de masas inestables, el efecto orográfico no supone más que el mecanismo de disparo de la inestabilidad convectiva. En la naturaleza los efectos de estos diversos tipos de enfriamiento del aire se correlacionan con bastante frecuencia entre sí, y la precipitación resultante no puede ser
