Formación y evolución de las células tormentosas

A menudo es posible distinguir las torres que sobresalen de la parte en crecimiento de una nube convectiva. Otras veces se pueden observar masas o líneas de tormentas unidas entre sí y que se extienden sobre distancias horizontales que sobrepasan los 50 km.

Algunas veces es posible asociar una tormenta con una cierta unidad de circulación convectiva que se llama célula. El diámetro de una célula tormentosa es del orden de 10 km y una célula aislada puede formarse a partir de varios cumulus en desarrollo. En otros casos, aparecen activas torres que sobrepasan una extensa masa nubosa.

En general, las células adyacentes tienen tendencia a reunirse. Sin embargo, pueden habitualmente distinguirse por la configuración del eco de sus precipitaciones en la pantalla del radar. Por otra parte, los aviones atraviesan a menudo regiones menos turbulentas situadas en la zona que separa las células tormentosas.

Fundándose en la velocidad y en el sentido de las corrientes verticales se pueden distinguir tres períodos en la vida de una célula tormentosa:

A) la fase de crecimiento;

B) el período de madurez;

C) la fase final.

Durante el crecimiento existen en toda la nube fuertes corrientes ascendentes. Aunque las observaciones por avión en el interior de la nube indican la presencia de lluvia o nieve, parece ser que estas precipitaciones quedan suspendidas por las ascendencias ya que en esta etapa no llegan al suelo. La siguiente imagen representa las fases.

El período de madurez comienza cuando las gotas de agua o las partículas de hielo caen de la base de la nube. Salvo en las regiones áridas, estas gotas y partículas alcanzan el suelo en forma de precipitación. Sus dimensiones y su concentración son demasiado elevadas para que las corrientes ascendentes puedan sostenerlas.

La fricción ejercida por la caída de los hidrometeoros ayuda a cambiar, en ciertas partes de la nube, el movimiento ascendente en movimiento descendente. Sin embargo, el movimiento ascendente persiste y frecuentemente alcanza su máxima intensidad en la parte superior de la nube, cuando comienza el período de madurez.

En general, el movimiento descendente es menos rápido y en la parte inferior de la nube es más pronunciado. Cuando el aire descendente alcanza la proximidad del suelo se ve forzado a extenderse horizontalmente, produciendo, a menudo, violentas ráfagas. En esta corriente, la temperatura es más baja que la del aire que la rodea. 

En este estado, una célula tormentosa va acompañada de fenómenos violentos en las proximidades de la superficie terrestre, en particular fuertes corrientes descendentes de aire frío, ráfagas, lluvias torrenciales y a menudo granizo.

En la fase final, la corriente ascendente desaparece completamente. Lo corriente descendente abarca la totalidad de la célula y, por lo tanto, no puede producirse condensación. Esta corriente se debilita cuando cesa la formación de gotas de agua y partículas de hielo. 

Mientras la lluvia y la corriente descendente persistan, la totalidad de la célula tormentosa es más fría que el aire que la rodea. Cuando cesan, la temperatura en el interior de la célula recobra el mismo valor que tiene el aire que la rodea. La disipación de la nube es completa y no quedan más que algunas nubes estratiformes. En superficie, ha desaparecido toda traza de tormenta y de ráfagas.

Crecimiento de los cristales de hielo por colisión

Cuando un cristal de hielo ha alcanzado un volumen superior al de las gotitas de agua, tiende a caer con respecto a ellas. Las colisiones se hacen entonces posibles y se acelera el crecimiento del cristal de hielo.

Las colisiones con las gotitas en subfusión pueden provocar la congelación del agua de las mismas sobre la superficie del cristal de hielo. Este proceso se llama acreción.

La acreción de gotitas de agua en subfusión puede conducir a la formación de cencellada transparente o de cencellada blanca. La cencellada blanca es un depósito de hielo blanco o lechoso. Resulta de un proceso relativamente lento durante el cual el cristal de hielo recoge las gotitas de agua individualmente.

Las gotitas en subfusión se congelan inmediatamente en el momento del choque y burbujas de aire quedan incrustadas entre las partículas, lo que impide la transmisión de la luz y hace el hielo opaco. La nieve granulada está formada por la acreción de hielo blanco sobre cristales de hielo. Las partículas resultantes son porosas y su densidad débil.

La cencellada transparente está formada por un depósito de hielo liso. Aunque sea generalmente transparente, puede ser simplemente translúcida, si existe aire incluido en el depósito de hielo.

La acreción de cencellada transparente sobre un cristal de hielo puede tener lugar muy rápidamente, si encuentra grandes gotitas de subfusión. En el proceso se pueden distinguir dos fases. En primer lugar, el calor latente liberado por la congelación de una parte del agua en subfusión puede impedir que el resto del líquido se congele inmediatamente. El hielo se recubre entonces de una fina película de agua.

Durante el transcurso de la segunda fase, la película de agua termina por congelarse, pero relativamente despacio. De esta manera, se forma alrededor de la partícula una masa densa de hielo más o menos transparente. Se encuentran depósitos de cencellada transparente en los gránulos de hielo y en los pedriscos.

Los copos de nieve son agregados de cristales de hielo, que pueden presentar una infinita variedad de formas. Los mayores copos se forman con temperaturas ligeramente inferiores a 0° C.

A estas temperaturas, el engelamiento favorece a la vez la colisión de cristales de hielo y su agregación para formar copos de nieve. Las partículas con mayor masa por causa del engelamiento tienen velocidades de caída variables según su tamaño, lo que favorece las colisiones. La presencia de líquido en la superficie de las partículas puede igualmente hacer que se suelden entre sí con más facilidad.

Si las diversas partículas compuestos de hielo de que se viene hablando en este párrafo pasan a un nivel inferior a la isoterma de 0°c, funden generalmente. Cuando salen de la nube las gotas de agua resultantes, no se distinguen de las que, con el tiempo frío o cuando las partículas son suficientemente grandes, éstas alcanzan el suelo bajo la forma sólida.

Procesos de precipitación

Es necesario, para que se formen nubes, que el vapor de agua de la atmósfera se transforme en gotitas de agua o en cristales de hielo. Sin embargo, estas partículas nubosas deben adquirir mayor masa para que se produzcan precipitaciones.

Tamaño de las gotitas nubosas

Lo determinación del tamaño de las gotitas de agua de las nubes ha sido objeto de importantes esfuerzos de investigación. La mayor parte de las experiencias de medida han sido hechas desde aviones, pero determinados estudios se han realizado en montaña.

Los tamaños de las gotitas, medidos en diferentes partes del mundo, son muy variables. Estas gotitas se forman alrededor de núcleos de condensación de dimensiones, naturaleza y concentración variables.

Las partículas en suspensión en la atmósfera se clasifican frecuentemente en función de sus dimensiones:

A) núcleos de aitken (< 0,1 μ);

B) grandes núcleos (0,1 - 1,0 μ);

C) núcleos gigantes (> l μ ).

Las cifras entre paréntesis indican los límites aproximados de los radios de los núcleos.

La mayor parte de los núcleos de aitken son muy pequeños y exigen una sobresaturación importante para llegar a ser activos en la condensación. En la atmósfera son, pues, los grandes núcleos y los núcleos gigantes los que se apoderan antes del vapor de agua disponible. Los grandes núcleos, mucho más numerosos que los núcleos gigantes, juegan un papel muy importante en la formación da nubes.

Los gotitas de agua se reparten el vapor de agua disponible, y de ello resulta que, si es elevada la concentración de núcleos, las gotitas son más numerosas pero sus dimensiones medias son menores.

En general, las mayores concentraciones de núcleos de condensación se producen sobre las regiones continentales más bien que sobre los océanos. En cambio, las gotitas de nubes continentales son más pequeñas, sus radios oscilan habitualmente entre 2 μ y 10 μ. Las dimensiones de las gotitas de nubes marítimas se sitúan entre 3 μ y 22 μ de radio.

Sin embargo, hay a menudo núcleos salinos gigantes que provocan la formación de gotitas de 20 y 30 μ o más. Su concentración no es, normalmente, sino de núcleo por litro de aire, pero se los encuentro tanto en las nubes marítimas como en las continentales.

Las gotitas pueden finalmente alcanzar un tamaño tal que se desprende de las nubes y de las corrientes ascendentes que las sostienen. Con frecuencia, se hace una separación arbitraria entre gotitas nubosas y las gotas de lluvia para un radio de 100 μ. Esta separación, elegida frecuentemente por comodidad, tiene, sin embargo, una razón de orden físico. La velocidad límite de caída de las gotas de 100 μ de radio es próxima a 1 ms^-2, lo que hace que puedan desprenderse de las corrientes ascendentes que se encuentran generalmente en las nubes.

Deformación de las gotas de lluvia

Las gotas de lluvia se deforman durante su caída, tanto más, cuanto más grandes sean.

Esto explica el hecho de que no se observa arco iris más que para ciertos tamaños de gotas. El arco iris resulta de la dispersión de la luz visible del sol para las diversas longitudes de onda que comprenden los colores del arco iris.

La dispersión resulta de la refracción y de la reflexión interna de la luz solar en las esferas de agua. Sin embargo, más allá de un cierto tamaño, las gotas dejan de ser esféricas, son un poco aplanadas por debajo y la dispersión no se observa.

Incluso en el caso de gotas de lluvia esféricas, el arco iris no se produce si son demasiado pequeñas. Cuando su diámetro es del orden de algunas longitudes onda de la luz, son otros los fenómenos ópticos los que se producen.

La caída de los hidrometeoros hacia la superficie terrestre no puede producirse hasta después de la formación de las nubes en el cielo. Estas nubes se forman cuando el enfriamiento del vapor de agua alcanza el punto en que se transforma en gotas líquidas o en cristales de hielo.

Velocidad de caída de las gotas de agua

Un cuerpo que cae en el aire está sometido a tres fuerzas:

A) la gravedad;

B) el empuje;

C) la resistencia del aire debida a su movimiento.

Al principio de su caída, el cuerpo acelera, porque la fuerza de gravedad es más grande que la suma de las otras dos. Sin embargo, la resistencia del aire aumenta con la velocidad de caída hacia la tierra

A menos que el cuerpo no alcance el suelo antes, las fuerzas acaban por equilibrarse y la velocidad de caído se hoce constante. Es lo que se llama velocidad límite de caída.

Un paracaidista cae al principio con velocidad acelerada, pero poco después de abrir su paracaídas desciende a velocidad constante. Las hojas al caer alcanzan también su velocidad límite. De la misma manera, las gotas de lluvia caen primeramente acelerando hasta una velocidad máxima y luego continúan a velocidad constante.

La velocidad limite de caída es mayor cuanto más grande sea la gota. El siguiente cuadro muestra la correspondencia entre la velocidad y el tamaño de las gotas.

                                           Velocidad límite de caída de las gotas de agua

Diámetro (micras)	Velocidad límite (metros/segundo)
2	0,00012
8	0,00192
100	0,27
200	0,72
500	2,06
1000	4,03
2000	6,49
5000	9,09
5800	9,17

1 micra = 10^-3mm = 10^-6m.