El Agua en La Atmósfera

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Meteorología 11/12

TEMA 5 ELEMENTOS DEL CLIMA:EL AGUA EN LA ATMÓSFERA

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A. Conceptos claveB. La humedad en la atmósfera. Vapor de aguaC. Procesos de condensaciónD. Las nubes E. Causas de las precipitaciones verticalesF. HidrometeorosG. Resumen y conclusiones H. Bibliografía

ContenidosELEMENTOS DEL CLIMA: EL AGUA EN LA ATMOSFERA

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ELEMENTOS DEL CLIMA: EL AGUA EN LA ATMOSFERAConceptos clave

Propiedades del aguaLas moléculas de agua se unen por puentes de hidrógeno. Cuando se le aporta energía al agua, parte de ella se consume en romper los P.H.

En el hielo hay muchos P.H. se forma una estructura con muchos huecos densidad baja

Cuando se derrite se rompen algunos P.H. se forma una estructura algo más compacta densidad alta (hasta 4 grados)

Si se sigue calentando se rompen más P.H. y las moléculas se mueven mucho más se forma una estructura menos compacta densidad baja

Cuando se evapora se necesita energía extra para que se rompan casi todos los P.H. calor latente

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ELEMENTOS DEL CLIMA: EL AGUA EN LA ATMOSFERA

• Elevado calor específico cambios de temperatura lentos (c=1 cal/g ºC))

• Elevado calor latente (540 y 80 cal/g ºC)

• Cambios de densidad al variar la temperatura

Puentes de hidrógeno: expansión y contracción de la masa de agua

Máxima densidad a 4 oC

Conceptos clave

Propiedades del agua

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EL AGUA EN LA ATMOSFERA

• El agua se encuentra en estado de transformación constante

• Tres fases principales: evaporación, condensación y precipitación

• Se encuentra como gas, líquido, y sólido

• En la atmósfera se dan las condiciones de temperatura y presión necesarias para que se produzcan los cambios de estado

Ciclo hidrológico

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• El aire no admite una cantidad indefinida de vapor de agua, llega un momento en que se satura condensa

• El punto de saturación depende de la Tª Tª de condensación

• Masa aire húmedo (a.h.) = masa aire seco (a.s.) + masa vapor deagua (v.a)

• Presión atmosférica = Presión (aire seco) + Presión (v. agua)

Humedad atmosférica

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La humedad en la atmósfera

• Humedad absoluta (Ha):

Masa de vapor de agua (g) contenida en 1 m3 de aire húmedo

• Humedad absoluta máxima (Hm):

Hm = 4,6 · 10 7,45 ·Tª/(235 + Tª)Humedad absoluta cuando el aire se encuentra saturado

• Proporción (o relación o razón) de mezcla: masa de vapor de agua (g) en un kg de aire seco

• Humedad relativa (Hr): Ha/ Hm · 100

La cantidad máxima de vapor de agua que puede contener una masa de aire antes de transformarse en agua líquida (en saturación)

Contenido de vapor de agua

La humedad: cantidad de vapor de agua que contiene el aire

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• Tensión o presión de vapor de agua (f): presión parcial del vapor de agua (mm de Hg)

• Tensión o presión máxima de vapor de agua (F): presión del vapor de agua (mm de Hg) en una atmósfera saturada

• Déficit de saturación (D): presión de vapor que le falta al aire para llegar a saturación; D = F – f

• Tª de rocío: Tª a la que hay que enfriar una masa de aire para producir la condensación, sin variar su contenido en vapor


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Variación de la humedad relativa (Hr):

• Cambios de temperatura a lo largo del día y la noche• Desplazamientos de las masas de aire de forma horizontal• Movimientos verticales de las masas de aire


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• Cuanto más caliente está unamasa de aire, mayor cantidad devapor de agua se necesita parallevarla a saturación y empezar aproducirse la condensación delvapor sobrante

La presión máxima de vapor de agua es fº de la temperaturaContenido de vapor de agua

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Aire cálido Aire frío

Condensación

• Condiciones para que el vapor existente en una masa de aire saturado se condense: Que la masa de aire se haya enfriado lo suficiente Que existan en el aire núcleos de condensación (núcleos

higroscópicos) sobre los que puedan formarse gotitas de agua

Condiciones

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Condensación

• Las nubes son un conjunto de partículas en evolución constante• Formadas por agua en estado líquido y sólido (gotas minúsculas y

cristalitos de hielo)• Las dimensiones de las gotas oscilan entre 4 y 100 μm (entre 10 y

25 μm más frecuentemente)

Tamaño de una gota de lluvia (2000 μm)

Tamaño de una gota de agua de la nube (20 μm)

Tamaño de un núcleo de condensación (20 μm)

Las Nubes

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Las nubes

• Las gotitas están en suspensión en el aire por:

su carácter dipolar muchas se encuentran en estado de dispersión coloidal

Su velocidad de caída (Ley de Stokes) es tan pequeña que pequeñas corrientes ascendentes de aire contrarrestan su caída

Si alguna sale de la nube se evapora en contacto con el aire no saturado

Estado físico de las nubes

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La Nubes

• El estado físico depende de la Tª

Tª > 0º C gotitas de agua Tª < -30º C cristales de hielo -30 ºC <Tª <0º C agua y hielo en diferentes proporciones

Estado físico de las nubes

Capacidad de subfusión: el agua permanece líquida a Tª < 0ºC

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Condensación en nubes cálidasLas nubes

Unas gotas “grandes” con velocidad de caída mayor que las de las gotitas pequeñas

Corrientes ascendentes que incrementen el recorrido de las gotas grandes en el interior de la nube

Nubes de gran espesor• Las gotitas alcanzarán mayor tamaño cuanto:

más tiempo pasen dentro de la nube ascendiendo y descendiendo cuanto mayor sea el contenido de agua líquida de la misma

• Las gotas aumentan de tamaño por choques sucesivos entre sí. Para ello deben existir: Peso

Captación

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Condensación en nubes fríasLas nubes

El vapor de agua se congela por sobre los cristales de hieloLa presión de vapor en la superficie del hielo es menor que en la del agua

El aire está más saturado respecto al hielo que respecto a la sobre la gota fría más cercana

El aire saturado cerca de la gota fría evapora y condensa sobre el hielo

Importante donde coexisten gotas de agua y cristales de hielo

Proceso de Bergeron

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Condensación

1. Mezcla de dos masas de aire húmedo no saturado a Tª diferentes

Cuando en mezcla: humedad media > humedad máxima

2. Radiación nocturna con cielo despejado, el suelo y el aire cercano se enfrían nieblas de radiación

Es preciso aire húmedo y corrientes ascendentes de aire muy débiles Si viento nulo rocío o escarchaSi viento fuerte ascendente disminución de los efectos de irradiación y no habrá condensación

Procesos

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3. Advección o movimiento horizontal de aire

a) Una masa de aire caliente circula paralela a una de aire frío

b) La advección de aire caliente sobre un continente frío nieblas de advección y nubes de baja altura

c) La advección de aire frío sobre una superficie caliente

En invierno, el aire continental determina la condensación del vapor de agua encima de los ríos y lagos que están más calientes.

CondensaciónProcesos

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4. Expansión del aire al ascender que origina un enfriamiento de éste.

Origen fundamental de los procesos de condensación y la causa esencial de formación de nubes y precipitaciones

CondensaciónProcesos

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Tipos de nubes

Las nubes

Por su forma

• Aisladas (a)

• Extensas divididas en fibras, partes o filamentos (b)

• Difuminadas formando velos más o menos extensos (c)

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Tipos de nubes

Las nubes

Por su altura:• Altas (A)

Nivel superior en la tropopausa (Tª= -55ºC aprox.) y nivel inferior a 6.000 m (Tª= -30ºC aprox.), formadas exclusivamente de cristalitos de hielo

• Medias (B)Con nivel superior a unos 6.000 m y nivel inferior a unos 2.000 m (Tª= -3ºC aprox.), formadas por mezclas de gotitas de agua y cristalitos de hielo

• Bajas (C)Con nivel superior a unos 2.000 m e inferior próximo al suelo

• De desarrollo vertical (D)Con suficiente espesor como para no ajustarse a los límites de los 3 grupos anteriores

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Tipos de nubesLas nubes

Por su origen:

• Formadas por procesos de condensación en un aire físicamente estable (α)

• Formadas por procesos de condensación en un aire físicamente inestable (β)

• Formadas por procesos de condensación en una masa de aire cuya inestabilidad se encuentra frenada a cierta altura por una inversión térmica (γ)

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Tipos de nubesLas nubes

Estratos Estratocumulos Cúmulos

Nimboestratos

Altocumulos

Altoestratos

Cirrocumulos

Cirroestratos Cirros

Cúmulonimbos

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Nubes altasLas nubes

• No producen precipitación• Formadas por cristales de hielo.

Aspecto fibroso, blancas, ligeras y a veces con bordes deshilachados a modo de plumas

Cirros (Ci; A, b, β)

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Cirrocumulos (Cc ; A,b, γ)

• No producen precipitación• Formadas por cristales de hielo. Dan origen a nubes más densas,

formando grupos de pequeñas nubes blancas, aborregadas y ordenadas con cierta regularidad

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Cirroestratos (Cs; A, c, α)

• No producen precipitación• Formados por cristales de hielo. Originan capas delgadas y blanquecinas

semejantes a velos finos que cubren casi todo el cielo

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Nubes mediasLas nubes

• Pueden producir lloviznas• Formadas por agua. Son nubes aborregadas como los Cc pero

formadas por agua y con mechones más grandes y de mayor espesor

Altocumulos (Ac; B, b, γ)

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Nubes mediasLas nubes

• Pueden producir lloviznas• Formadas por agua y hielo. Son velos de color grisáceo, más grueso y

menos transparente que los Cs, por lo que no forman halos

Altoestratos (As; B, c, α)

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Nubes bajasLas nubes

Estratos (St; C, c, α)No producen precipitación o como mucho una llovizna ligeraFormadas por agua. Manto muy uniforme de nubes de distinto espesor, dando a veces un aspecto plomizo al cielo

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Estratocumulos (Sc; C, b, γ) No producen precipitación o como mucho una llovizna ligeraFormadas por agua. Masa de nubes irregulares, globulares o acanaladas Los elementos más pequeños son grises, groseros y difusos

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Nubes de desarrollo verticalLas nubes

Cúmulos (Cu; D, a, β)Pueden producir ligeros chubascos, salvo en dimensiones reducidas que no producen lluviaFormadas por agua. Presentan una base plana (altura a partir de la cual el vapor de agua se condensa), y una cúspide redondeada en forma de masa de algodón (forma de coliflor)

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Nimboestratos (Ns; C,c,α, o D,c, α)Pueden producir lluvia fuerte y continuaPueden ser de agua, hielo o ambas cosas. Capas de nubes sombrías, grises o negras con bordes desgarrados yaspecto amorfo

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Nubes de desarrollo verticalLas nubes

Cumulonimbos (Cb; D, a, β)Pueden producir lluvia fuertes chubascosFormadas por agua y hielo. Masa compleja de nubes de fuerte crecimiento vertical. Son nubes de tormenta.

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Precipitaciones verticalesHidrometeoros

• Lluvia: Precipitación de agua líquida, en forma continua, con gotas de Φ>0.5 mm

• Chubasco o aguacero: Precipitación de agua líquida, en forma intermitente, de desigual intensidad pero de corta duración

• Llovizna: Precipitación de agua líquida, en forma continua, con gotas de Φ<0.5 mm

• Tormenta: Precipitación en forma de chubasco acompañada de aparato eléctrico

• Nieve: Precipitación de cristales de hielo soldados entre si• Nieve granulada: Granos de agua helada traslúcida de Φ <2 mm • Granizo: Granos de agua helada traslúcida de 2mm< Φ <5 mm

• Pedrisco: Granos de agua helada traslúcida de Φ >5 mm

Constituyen la parte visible de las nubes

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Precipitaciones horizontalesHidrometeoros

• Niebla: Nube formada por gotitas de agua que flotan en el aire pegado al suelo con densidad suficiente para que la visibilidad sea inferior a 1 km

• Bruma: Niebla ligera en la que la visibilidad es superior a 1 km

• Rocío: Condensación directa del vapor de agua sobre la superficie de los objetos en forma de pequeñas gotas

• Escarcha: Condensación directa del vapor de agua sobre la superficie de los objetos en forma de escamas cristalinas de hielo

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Otros hidrometeorosHidrometeoros

• Cencellada: Capa + ó – opaca de cristales de hielo que se depositan sobre las aristas verticales y ángulos de los objetos cuando éstos penetran bruscamente en una nube o niebla en estado de subfusión

• Verglás o lluvia engelante: Capa de hielo transparente que se forma instantáneamente sobre las superficies cuando reciben lluvia en estado de subfusión

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• Gandullo J.M. & Blanco A. (2000) Ecología Vegetal. Fundación Conde del Valle de Salazar. E.T.S.I.Montes.

• Ahrens, C.D. Meteorology today: an introduction to weather, climate, and the environment . 2008

• Lutgens, Frederick K. The atmosphere: an introduction to meteorology. 2006

Referencias bibliográficas

Documents

El Agua en La Atmósfera