capitulo vi estabilidad y desarrollo de nubes
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Estabilidad y Desarrollo de Nubes
Capitulo VI
Importancias de las Nubes:
Cuando se forman una gran cantidad de energía el liberada a la atmósfera.
Ayudan a regular el balance de energía de la Tierra, reflejando y dispersando radiación solar y absorbiendo radiación de IR de la Tierra.
Sin nubes no hay precipitación.
Ayudan a visualizar procesos físicos que acurren en la atmósfera.
Entregan mucha información a un observador entrenado.
Muchas nubes se forman cuando el aire asciende y se enfría.
¿Porque el en algunas ocasiones el aire asciende y en otras no?
¿Por que el tamaño y la forma de una nube puede varia tanto de una nube a otra?
Respuesta: Estabilidad Atmosférica.
Una parcela de aire que asciende siempre se expande
A medida que la parcela se expande se enfría.
Proceso adiabático: no hay intercambia de calor entre la parcela y el aire circundante.
La razón a la cual la parcela se enfría con altitud, debido a este proceso, se denomina, razón de cambio adiabática.
Cuando hablamos de estabilidad atmosférica nos referimos a equilibrio.
Para explorar el comportamiento de del aire que asciende y desciende, definiremos un pequeño volumen, llamado parcela de aire, esta parcela puede subir o bajar en la columna de aire pero no desintegrarse.
No existe intercambio de calor entre ella y el entorno, condición llamada adiabática. El espacio definido por sus moléculas, define su densidad. La velocidad promedio de sus molecular está directamente relacionada con su TEMPERATURA y los choques de sus moléculas con las paredes definen su PRESIÓN.
En superficie, la parcela tiene la misma temperatura y presión que el entorno. Si asciende se expande y se enfría, si desciende se comprime y se calienta. Si no hay intercambio de calor tenemos un proceso adiabático.
Si el aire de la parcela no está saturado (RH menos que 100%), el calentamiento o enfriamiento adiabático permanece constante aproximadamente 10 °C por 1000 m,
Razón de caída adiabática mCd 1000/10
El aire que asciende se enfría a medida que se a próxima a su temperatura de punto de rocío su RH aumente.
Al alcanzar Td su RH = 100%. Si continua ascendiendo se produce condensación, se forma una nube y liberación de calor latente, debido a este calor el enfriamiento se hace menor.
Razón de enfriamiento adiabático húmedo.
Si una parcela saturada que contiene gotas de agua desciende, se compresión y se calentará a la razón adiabática húmeda, debido a que la evaporación hará que la razón de aumento de la temperatura sea menor.
Usualmente el aire contiene vapor de agua
A medida que la parcela asciende se alcanzará una altura donde el vapor de agua se condensa.
Pero este proceso entrega de calor latente, debido a la condensación, en la parcela.
De modo que la temperatura de la parcela no disminuirá a la misma razón que una parcela de aire sin humedad.
Se define la razón de cambio húmeda
La razón adiabática húmeda no es constante, varia con la temperatura y el contenido de humedad de la parcela. Aire saturado cálido produce más agua liquida que aire saturado frío. Esta mayor condensación en aire saturado cálido libera más calor latente , luego la razón adiabática húmeda de aire cálido es muy diferente a la razón adiabática seca.
Pero es muy parecida si el aire que asciende es muy frío.
Aún cuando la razón húmeda varia, en general se usa un promedio que es de
mCCH 1000/5,66
ESTABILIDAD ATMOFERICA La estabilidad del aire se determina comparando la temperatura de la parcela que asciende con la del entorno.
Si el aire que asciende es más frio que el entorno, este será más denso que el entorno y tenderá a hundirse a su nivel original, el aire es estable, resiste movimiento verticales
Si el aire que asciende es más cálido que el entorno, menos denso, continuará ascendiendo hasta que alcanza la misma temperatura con el entorno.
aVmagVgVF ppppppez
)(1 pepp
e
p
e gggga
)(1 epee
p TTTg
T
Tga
ρp=densidad parcelaρe=densidad entornoTp=temperatura parcelaTe=Temperatura entorno
En un proceso seco
Piense en una parcela de aire
¿ Si la parcela se enfría? ¿Como varia su densidad?
¿La parcela es estable o inestable con respecto de las parcela adyacentes?
Convección de aire seco. Aún no tenemos nubes
TRp
d
Atmósfera Estable
En superficie tenemos una parcela no-saturada. Al ascender se enfriara a razón de 10 °C por cada 1000 m. razón adiabática seca.
La temperatura de la parcela siempre será menos que la del entorno
)(1 epee
p TTTg
T
Tga
La parcela tenderá a volver a su lugar de origen.
Atmósfera Estable
Aún cuando la parcela esté inicialmente saturada, se enfriará a la razón de 6 °C por cada 1000m.
Siempre tendrá una Temperatura menos que el entorno.
En ambas situaciones se dice que la atmósfera es absolutamente estable.
La atmósfera siempre es ABSOLUTAMENTE ESTABLE, cuando la razón de caída de la temperatura del entorno es menor que la ADIABATICA HUMEDA
El aire en una atmósfera absolutamente estable, resiste fuertemente movimientos verticales ascendentes.
Si es forzada a subir se esparcirá horizontalmente.
Si se forman nubes en el aire que asciende estas también se esparcirán horizontal mente en capas relativamente delgadas y usualmente presentan bases y techos planos
Podemos esperar nubes del tipo: cirrosestratos, nimbosestratos o estratos, en condiciones estables.
Una atmósfera estable se da cuando la diferencia de la temperatura del aire superficial y de altura es relativamente pequeña. Esto se da cuando el aire en altura se calienta o el aire de superficie se enfría. Esto lleva a una razón de caída del entorno menor.
El enfriamiento en superficie, puede deberse a:Enfriamiento radiactivo nocturno de la superficie.
Un flujo de aire frío advectado por el viento.
Aire moviéndose sobre una superficie fría.
Calentamiento en altura: Advección de aire cálido
En un día cualquiera la atmósfera es más estable temprano en la mañana, en torno a la salida del sol.
Si el aire superficial se satura es muy posible que una capa de niebla se forme.
Otra manera que la atmosfera se vuelva estable es cuando una capa de aire no-saturado se hunde. Si esta capa de aproximadamente 1000m de espesor se hunde (subsidencia) que cubre un área grande, esta capa se calentará por compresión adiabática. Cuando se hunde su espesor disminuye. La parte superior de la capa se hundirá más rápido y se calienta más que la base. Y se forma una inversión térmica llamada inversión de subsidencia y se da principalmente en zonas de altas presiones.
Una inversión térmica siempre representa a una atmósfera estable, si aire asciendo esta llegar a una zona de inversión, este aire siempre será mas frío que el aire del entorno y tenderá a hundirse.
Las inversiones actúan como una tapa que inhiben los movimiento verticales.
Cuando existe una inversión cerca de superficie nubes tipo estratos, neblina y contaminantes son mantenidos cerca del suelo.
Los episodios de contaminación más severos se dan en presencia de inversiones de subsidencia.
Estabilidad neutra:
Si la razón de cambio del entorno es exactamente la misma que la adiabática seca, el ascenso o descenso de aire tendrá la misma temperatura que el entorno.
Para aire saturado la razón de cambio del entorno debe ser la misma que la adiabática húmeda.
ATMOSFERA INESTABLEUna parcela de aire no-saturada se enfriará a razón de 10 °C por cada 1000 m, el entorno se enfría a razón de 11 °C /1000m.
La parcela siempre tendrá una temperatura mayor que el entorno.
Continuará ascendiendo, alejando verticalmente hacia arriba de su posición original
La atmósfera es inestable
Una parcela saturada se enfriara más lentamente con la altura.
Será siempre más cálida que el entorno.
Continuará ascendiendo, alejándose del origen.
En ambos casos se dice que la atmósfera es ABSOLUTAMENTE INESTABLE.
Una atmósfera absolutamente inestable se da cuando la razón de cambio del entorno es mayor que la razón adiabática seca
Capas de grandes espesores casi nunca o nunca son absolutamente inestable
Absoluta inestabilidad está limitada generalmente a capas inferiores, cerca del suelo, en días despejados y calurosos.
En estás condiciones la razón de cambio de entorno puede sobrepasar la razón de cambio adiabática. Razón superadiabatica.
En raras ocasiones cuando el ambiente tiene una razón de 3,4 °C por 100 m ( razón autoconvectiva). La convección se da espontanea, generando turbulencia.
Atmosfera condicionalmente inestable:
Una condición bastante típica es cuando la razón de cambio del entorno está entra la adiabática sea y la húmeda.
Si la parcela no está saturada, asciende y se enfría de manera adiabática seca, y siempre está más fría que en entorno, luego tenderá a volver a su posición original. Luego la atmósfera es estable.
Si la parcela está saturada, su temperatura será menos que la del entorno y si es perturbada continuará ascendiendo. Estamos en una atmósfera inestable.
En esta condición se dice que la atmósfera es condicionalmente inestable. Y depende si la parcela está o no saturada.
Luego si una parcela no-saturada puede ascender (mecanismo externo) hasta un nivel en que se satura, estaremos en presencia de una atmósfera inestable.
Como la razón de cambio promedio de la Troposfera es de 6 °C / 1000m, este valor está entre la adiabática seca y la adiabática húmeda, la atmósfera está preferentemente en una condición de inestabilidad condicional.
Causas de Inestabilidad
La atmósfera se vuelve inestable cuando la temperatura del entorno cae rápidamente con la altura.
El aire en altura se enfría y en superficie se calienta
En enfriamiento en altura:
•Advección fría•Nubes o el aire emite radiación IR
Calentamiento en Superficie
•Calentamiento de la superficie durante el día•Advección cálida• Masa de aire sobre superficie cálida
La estabilidad de la atmósfera cambia durante el día. En un día despejado de poco viento, en torno al amanecer, el aire superficial es usualmente más frío que el de altura, se genera una inversión radiativa y la atmósfera es bastante estable.
A mediada que el sol calienta la superficie, ésta calienta el aire sobre ella, la atmosfera baja se hace cada vez más inestable, alcanzando un máximo de inestabilidad en el momento más cálido del día.
También la atmosfera se puede volver inestable por mezcla o por ascenso (convección).
Mezcla ( Remolinos Turbulentos)
El aire se enfría adiabáticamente en su movimiento ascendente, se calienta en su movimiento descendente. Si la mezcla continua y el aire se mantiene no-saturado, la distribución vertical de la temperatura igualara la adiabática seca
Si toda una capa de aire asciende ( ~1000m), vemos que inicialmente la capa es absolutamente estable, la razón de caída del entorno es menor que la adiabática húmeda, si la capa sube, el rápido descenso de su densidad en el tope causa que aumente el espesor de la capa, si no está saturada, la capa entera se enfría de manera adiabática seca, pero debido a este aumento de espesor el tope se enfría más que el fondo. Notar que la capa entre los 500 y 600 mb es ahora condicionalmente estable.
Una capa muy estable se puede transformar en una capa absolutamente inestable, cuando la parte inferior de la capa contiene humedad y la superior es seca, la capa entre los 900 y 850 mb, presenta una inversión, que la hace absolutamente estable. Asumamos que la parte inferior está saturada y la superior no. Si es forzada a ascender, la parte superior se enfriara adiabática seca, rápidamente, en cambio la parte inferior lo adiabática húmeda, enfriándose más lentamente. La capa vuelve absolutamente inestable. Inestabilidad Convectiva.
Inversiones de Subsidencia: La figure muestra el perfil vertical de la temperatura y del punto de rocío (Td) para un día de verano, la temperatura desciende hasta los 300m, desde la superficie, donde Ta=Td, se forma nube. Sobre los 300m la Ta aumenta rápidamente hasta lo 900 m, inversión de subsidencia, el tope de la inversión no solo es el aire es cálido sino seco.Esto está asociado a una alta presión. Inmediatamente bajo la inversión hay aire frio húmedo, la inversión actúa como una tapa. El aire en superficie con sus contaminante y nubes está confinado a una delgada capa superficial.
Desarrollo de Nubes:
Casi todas las nubes se forman cuando el aire asciende, se enfría y la humedad se condensa. En general el aire necesita un agente mecánico para ascender:
• Calentamiento superficial y convección libre.
• Ascenso orográfico
• Convergencia superficial
• Ascenso frontal
Convección y Nubes:
Algunas zonas del suelo absorben mejor la radiación solar que otra, luego se calientan más que otras. El aire en contacto con estos puntos calientes ( hot spots), se calienta más en el aire de su entorno y asciende, se expande y se enfría, eventualmente mezclándose con el aire superior y perdiendo gradualmente su identidad, reduciendo su velocidad de asenso. Generalmente antes que se diluya completamente, subsecuentes “burbujas” cálidas la penetran y permiten que continúe ascendiendo un poco más. Si se enfría hasta su punto de saturación, a humedad se condensara y la burbuja se hará visible como una nube tipo cumulo.
El movimiento del aire fuera del cumulo es hacia abajo.
Este movimiento es causado, en parte, por la evaporación en el borde de la nube, enfriando el aire y haciéndolo más denso. Además por continuidad aire frio remplaza al aire cálido que asciendo. Se tiene aire que asciende en la nube y aire que desciende fuera de ella.
En un día cálido y húmedo vemos el cielo lleno de cúmulos, con bases casi al mismo nivel y sus topes solo se extiendo unos cientos de metros. El desarrollo de estas nubes depende de la estabilidad de la atmósfera y el contenido de humedad. Para mostrar el desarrollo de estas nubes, examinaremos la temperatura y humedad de la burbuja que sube, asumiendo (para simplificar un proceso muy complejo) que:
• No hay mezcla entra el aire ascendiente y su entorno.• Solo una burbuja cálida genera el cumulo.• El aire ascendente en la nube permanece saturado.
La razón de cambio del entorno es mayor que la adiabática seca en la capa A, esta capa es absolutamente inestable. Capas B y C son absolutamente estables, razón de cambio del entorno menos que la ad. húmeda. Pero el promedio del entorno, desde la superficie a la base de la inversión es condicionalmente estable. (7,5 °C /1000m)
Supongamos que una burbuja de aire con temperatura de 35 °C y Td=27 °C, asciende desde la superficie. Primero a corta distancia del suelo la burbuja es más cálida que el entorno, luego puede ascender libremente, nivel de convección libre, el aire se enfría ad. seca y Td cae pero no tan rápido. La razón a la cual el punto de rocío cae en función del contenido de humedad y de la presión de la parcela, pero se usa un promedio de 2 °C / 1000m. La temperatura de la parcela y la del punto de rocío convergen a 8 °C / 1000m
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
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6 8 10 12 14 16 18 20
Temperature (oC)
Vap
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Saturation Vapor Pressure
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WET BULB TEMPERATURE
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A una elevación de 1000m, el aire se ha enfriado al punto de rocío, la RH es del 100%, nivel de condensación (nubes). Sobre este nivel el aire que asciende está saturado y se enfría ad. Húmeda. La condensación continua y la temp. de la parcela y del punto de rocío decaen a la misma razón, ad. húmeda. El aire continua ascendiendo. A los 2000m el aire tiene la misma temperatura que el entorno y tenemos el tope de la nube. Base de la inversión
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