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.

Proceso de Bergeron

Un meteorólogo sueco, t. Bergeron, ha propuesto un mecanismo de crecimiento de cristales de hielo en las subes frías mixtas, es decir en presencia de gotitas en subfusión.

En 1911, Wegener sugirió que, en las nubes mixtas, la tensión de vapor debía estar equilibrada en un valor intermedio entre las tensiones de saturación por encima del hielo y por encima del agua. Bergeron ha adoptado esta hipótesis en 1933, para explicar el crecimiento de los cristales de hielo en las nubes mixtas.

Cuando un cristal de hielo coexiste con gotitas de agua en subfusión, hay un desequilibrio, de modo que la tensión de vapor no es saturante para gotitas liquidas que tienden por consiguiente a evaporarse.

Simultáneamente la tensión de vapor es superior a la tensión saturante para el hielo. El vapor de agua entonces se transforma directamente en hielo y se deposite sobre los cristales de hielo. De todo ello resulta que los cristales de hielo crecen en detrimento de las gotitas de agua.

Para temperaturas ligeramente inferiores a 0°C, la velocidad de crecimiento de los cristales de hielo en las nubes mixtas es poco diferente de la de las gotitas de agua. Sin embargo, para temperaturas inferiores a -10°C, los cristales de hielo crecen más rápidamente que la de las gotitas de agua. El traspaso directo de vapor tiene su máximo de eficacia para temperaturas próximas a -15°c.

Se ha supuesto, al principio, que toda gota de lluvia, o gran parte de ellas, tenía su origen en un cristal de hielo en una nube mixta. Para que esto suceda de esa manera sería necesario que todas las nubes productoras de lluvia se encontrasen por encima de la isoterma de 0°C.

Este no es el caso indudablemente. Las fuertes tormentas tropicales, por ejemplo, son producidas por nubes cumuliformes, cuyas cimas están situadas muy por debajo del nivel de la isoterma de 0°C.

En efecto, el proceso de bergeron se aplica esencialmente al crecimiento inicial de los cristales de hielo. El crecimiento de los cristales de hielo por sublimación no puede ser rápido, sino en pequeños cristales; se retarda cuando su tamaño decrece.

Es necesario que intervenga un proceso de colisiones para la formación de partículas más gruesas. También, en las nubes donde hay subfusión, las colisiones pueden provocar la congelación de gotitas de agua sobre un cristal de hielo o sobre un copo de vive. En determinados casos estas capas se pueden formar de la reunión de cristales de hielo.

Ya se ha hablado de colisiones entre gotitas, puede resultar el crecimiento de las dimensiones de los gotitas de agua. Ahora se considerará el crecimiento de los cristales de hielo por medio de los procesos de colisión.

Formación de cristales de hielo

Se ha visto que se supone que la formación inicial de un cristal de hielo se produce por lo congelación del agua en subfusión que rodea el núcleo.

Después de su formación, un cristal de hielo puede crecer, ya por transformación directa de vapor de agua en hielo (por sublimación), ya por la congelación de gotitas de agua en subfusión. Se verá en el próximo post cómo interviene el primero de estos procesos en las nubes frías mixtas, es decir las que contienen a la vez cristales de hielo y gotitas de agua en subfusión. 

Científicos quieren sembrar nubes para contrarrestar huracanes

Un grupo de científicos acaba de publicar una propuesta en la revista Atmospheric Science Letters para dominar los huracanes: sembrar nubes. Su argumento es que esto disminuiría la temperatura superficial del mar, lugar donde se origina este fenómeno meteorológico. Lo que esperan los investigadores es que con esta técnica se reduzca en una categoría su intensidad.

La metodología sería la siguiente: a través de vehículos no tripulados se pulverizarían gotas de agua de mar minúsculas, buscando que una parte de ellas se consoliden en las nubes, lo que aumentaría su humedad y al mismo tiempo su reflectividad y duración, según publicó EuropaPress. De esta manera, más luz solar sería reflejada de vuelta al espacio, lo que reduciría la temperatura de la superficie marina. Esta técnica es conocida como Marine Cloud Brightening (MCB).

“Los huracanes obtienen su energía del calor contenido en las aguas superficiales del océano. Si somos capaces de aumentar la cantidad de luz solar reflejada por las nubes por encima de la región de desarrollo de huracanes, entonces habrá menos energía para alimentar a los huracanes”, explicó el científico Alan Gadian, de la Universidad de Leeds, Reino Unido.

La motivación para esta investigación es clara: los huracanes son una de las fuerzas más destructivas de la naturaleza. Según Gadian en los últimos tres decenios su intensidad se ha incrementado en el Atlántico Norte, la India y el Océano Pacífico. Precisamente en estas regiones se ha simulado el impacto de la siembra de nubes, “con especial énfasis en los meses de agosto, septiembre y octubre, cuando se concentran los huracanes en el Atlántico”, explicó Gadian.

El científico apuntó además que una posible desventaja al utilizar esta técnica es que la siembra de nubes en el Atlántico podría dar lugar a una reducción significativa de las precipitaciones en la cuenca del Amazonas y otros lugares. "Mucha más investigación es necesaria. Tenemos claro que no se implementará esta técnica hasta que estemos seguros que no habrá consecuencias adversas sobre las precipitaciones”.

Este método se hizo célebre en China durante los Juegos Olímpicos de Beijing 2008. En esa ocasión el objetivo era influir directamente en las cantidades de lluvia.

Mecanismo de la coalescencia

Un proceso importante que permite el crecimiento de las gotitas nubosas basta el tamaño de gotas de lluvia, es la colisión directa y la coalescencia de gotitas de agua. Las gotitas arrastradas hacia arriba por las corrientes ascendentes caen, sin embargo, en relación con el aire que sube, y los mayores más rápidamente que sus vecinas más pequeñas.

Las gotitas más pequeñas son incapaces de colisionar, pero el choque es posible cuando el radio de una de las gotitas excede de 18 μ. La eficacia de las colisiones aumenta considerablemente para las gotas mayores.

Las colisiones y la coalescencia son necesarias para lo formación de precipitaciones en los nubes cálidas. La temperatura de estas nubes es superior a 0°c están formadas enteramente por gotitas de agua.

Igualmente hoy gotitas líquidas en las nubes, cuya temperatura es inferior a 0°c. Estas gotitas en subfusión, de esta clase de nubes, pueden crecer de la misma manera por colisión y coalescencia entre ellos.

Determinadas nubes contienen cristales de hielo. 

Crecimiento inicial de las gotitas nubosas

En el crecimiento de las gotitas nubosas interviene un determinado número de factores. Incluyen la humedad del aire que rodeo las gotitas, los efectos de la tensión superficial y la naturaleza de los núcleos. Es igualmente importante la velocidad con la que puede transferirse al aire envolvente el calor latente liberado por la condensación.

Al comienzo, la condensación del vapor sobre el núcleo es rápida. Las gotitas pueden crecer desde el tamaño del núcleo, hasta hacerse visibles en una fracción de segundo. El proceso se retarda en seguido y es poco probable que la condensación pueda, par sí sola, producir gotitas de un tamaño medio superior a 30 μ.

Para explicar la presencia de gotas mayores en las nubes, es necesario hacer intervenir las interacciones entre gotitas individuales. Resulta un proceso importante de crecimiento la colisión y reunión de gotitas de velocidades diferentes de caída (coalescencia).

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.