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Física de Nubes

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Efecto de la tensión superficial

Produce el ascenso de un líquido en un capilar, haciendo que la savia ascienda por los pequeños capilares, como en las grandes secuoias

σ ⋅2πr ⋅cosθ=πr2ρlgh

h=2σ ⋅cosθρl ⋅g⋅r

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Andar a un zapatero

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Pompas de jabón

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Permite que se formen gotas

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Provoca que la tensión de vapor sobre las gotas sea mayor que sobre superficies planas. Cuanto menor es la gota mayor el efecto de la tensión

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Se necesita una humedad relativa de un 300% para que se forme una gotita de 0.1 m

Ley de Kelvin

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En la atmósfera no se observa esa humedad relativa tan elevada. A lo sumo un 101%. ¿Como se pueden formar las diminutas gotitas de agua ? ===> Los aerosoles

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Aerosoles

Pequeñas partículas existentes en la atmósfera. Una pequeña parte de estas partículas son higroscópicas: Núcleos de Condensación Nubosos (NCN, CCN Cloud Condensation Nuclei) => Se pueden disolver en agua: Ejemplo– Partículas de sal común procedentes del océanoPartículas de sal común procedentes del océano

– Partículas de SOPartículas de SO44(NH(NH44))22 procedentes de la oxidación del sulfuro de procedentes de la oxidación del sulfuro de

dimetilo S(CHdimetilo S(CH33))22 (exhalado por algas marinas) o procedente de la (exhalado por algas marinas) o procedente de la

contaminación atmosférica.contaminación atmosférica.

– Nitratos procedentes de la contaminación atmosféricaNitratos procedentes de la contaminación atmosférica

– Emisiones volcánicas...Emisiones volcánicas...

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La consecuencia más importante de la disolución de la sal en el agua (desde el punto de vista de la física de nubes) es la disminución de la presión de vapor saturante (ley de Raoult)

La presión de vapor saturante sobre una disolución es menor que sobre un líquido puro

pswpvw

=aw =nw

nw +ins

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Teniendo en cuenta los efectos de la tensión superficial y la higroscopicidad se obtiene la relación entre lajumedad relativa y el radio de la gota, cuya

gráfica se muestra en la figura (curvas de Köhler)

Sobresaturacióncrítica

Radio de activación

Fase de bruma

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Crecimiento de las gotitas: Crecimiento difusivo

Una vez activadas las gotitas crecen por difusión del vapor hacia las mismas siguiendo una ley parabólica

Lo que significa que las gotas mas grandes crecen mas despacio que las más pequeñas

r2=r02+c⋅t

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Tiempos de crecimiento de una gotita de agua

Los tiempos necesarios para que se formen gotitas de lluviason mucho mayor que los observados => Debe existir algún otro mecanismo de crecimiento

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Velocidad de caídaLa resistencia que opone el aire a la caída de la gota, y que es proporcional a la sección eficaz de la gota y a la velocidad de caída, se opone al peso de la misma. Al ir aumentando la velocidad de caída, va aumentando la resistencia hasta que llega un momento que ambas se igualan. A partir de ese momento la velocidad de la gota permanece constante.

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Al salir una gota de la nube, comienza a evaporarse, siguiendo como antes una ley parabólica ¿Cuanto tiene que recorrer antes de evaporarse del todo ?

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Para que una gotita alcance la superficie debe de alcanzar el tamaño del orden de 0.1 a 1 mm. Los tiempos requeridos para que se alcancen estos tamaños mediante la difusión del vapor son muy grandes ==> Debe de existir otro mecanismo: El mecanismo de colisión -- coalescencia

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El mecanismo de colisión-coalescencia

Las gotas más grandes que descienden a mayor velocidad alcanzan a las más pequeñas con la que chocan pudiendo fundirse

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Eficacia de colisión en términos del tamaño de la gota captora y la relación entre ésta y las capturadas

La gota captora debe de tener valores superiores a 20 m y la mayor eficacia se alcanza cuando las gotas capturadas tienen un radio mitad del de la gota captora

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Nubes cálidas

Solo interviene la fase líquida. Tiene lugar en nubes tropicales. Surge el problema de cómo pueden aparecer un número relativamente grande de gotas con tamaño suficiente para que comience el proceso de colisión coalescencia. Tiene importancia los fenómenos turbulentos y la propia historia de las masas de aire

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Nubes frías

Interviene la fase hielo ¿Como se forman los cristales de hielo ? Se han podido observar en experimentos

cuidadosos de laboratorio agua muy pura en estado líquido hasta una temperatura de -38ºC. En las nubes a temperatura más elevadas no se observa la aparición de gotitas de agua líquida. ¿Que sucede ?

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En la naturaleza existen los llamados núcleos de hielo o núcleos glaciógenos que permiten que se formen cristales de hielo a temperaturas relativamente elevadas

Son partículas no higroscópicas que ‘engañan’ al agua. Tienen una estructura cristalina muy parecida a la del hielo.

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Tienen diversas formas de actuación– DeposiciónDeposición– ContactoContacto– CondensaciónCondensación

El número de núcleos de hielo es muy escaso: del orden de varias unidades por litro

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Formas de los cristales de hielo

Los cristales de hielo toman diferentes formas dependiendo de las condiciones de humedad y temperatura. En general son placas o prismas exagonales o con formas dentríticas

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Fotografías de cristales de hieloObtenidas mediante microscopio electrónico (y a luz visible)

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CLASIFICACIÓN DE KOBAYASHI

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Importancia de la fase hielo

Tiene importancia el proceso Wegener- Bergeron - Findeisen

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Cuando los cristales de hielo funden dan lugar a gotitas grandes que continúan creciendo mediante colisión-colaescencia. Así mismo los cristalitos de hielo crecen por captura de gotitas más pequeñas dando lugar a la formación de ‘graupel’, el cual al fundir da lugar a la formación de grandes gotas. Si la temperatura es lo suficientemente baja es posible que este ‘graupel’ llegue al suelo en forma de granizo

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Diferentes estados de agregación de cristales de hielo y gotitas de agua sobreenfriadas Graupel

Rime

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Clasificación de las nubes

Existen diversas clasificaciones, una de las mas standard esta basada en la altura y en la forma. Así tenemos tres grupos principales: – Nubes altas (CNubes altas (CHH))

– Nubes medias (CNubes medias (CMM))

– Nubes bajas y (CNubes bajas y (CLL))

– Nubes de desarrollo verticalNubes de desarrollo vertical

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CH– Cirros (Ci)Cirros (Ci)– Cirro-cumulos (Cc)Cirro-cumulos (Cc)– Cirro-estratos (Cs)Cirro-estratos (Cs)

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CM– Ato-estratos (As)Ato-estratos (As)– Alto-cumulos (Ac)Alto-cumulos (Ac)– Nimbo-estratos (Ns)Nimbo-estratos (Ns)

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CL– Estrato-cumulos (Sc)Estrato-cumulos (Sc)– Estratos (St)Estratos (St)– Cumulos (Cu)Cumulos (Cu)– Cumulo-nimbos (Cb)Cumulo-nimbos (Cb)

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Nubes altas

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Cirro-estratos

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Cirro-cúmulos

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Cirros procedentes de un cúmulo-nimbo

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Cirro-estratos con halo

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Cirros invadiendo el cielo

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Nubes Medias

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Alto-cúmulos

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Nimbo-estratos

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Nimbo-estratos con pannus

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Nubes Bajas

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Cumulo-Nimbo con yunque

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Cúmulo-nimbo con yunque

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Cúmulo-Nimbo

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Cúmulos

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Cúmulo (cumulus congestus)

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(Cumulus humilis)Cúmulos de buen tiempo

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Capa de Estratos

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Estratos

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Estrato-cúmulos

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Estrato-cúmulos

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Virgas de una nube

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Nubes lenticulares

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Mamas de la nube (mammatus)

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Nubes noctulicentes

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Tormentas, rayos y truenos Formación: En situaciones de fuerte inestabilidad hidrostática los

movimiento verticales de las burbujas pueden alcanzar enormes alturas. Estando estos movimientos verticales favorecidos por la propia formación de la nube, tanto en su fase líquida como sólida al generarse calor latente de condensación y congelación: favorece la formación de tormentas la existencia de inestabilidad, humedad y vientos elevados en altura

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Los mecanismos que inducen la formación de la tormenta son varios:– Calentamiento diurno del sueloCalentamiento diurno del suelo– Ascenso inducido cerca de colinas, montañasAscenso inducido cerca de colinas, montañas– Situaciones de fuerte convergencia horizontalSituaciones de fuerte convergencia horizontal– Situaciones frontalesSituaciones frontales

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Se estima que solo un 20% del vapor que ha condensado llega al suelo en forma de precipitación (sólida y/o líquida), el resto queda como residuo de la tormenta (en forma de cirros) o bien se ha evaporado en las corrientes descendentes. Sin embargo un tormenta típica produce unos 6 mm sobre unos 64 km2, lo que significa que 400 000 toneladas de agua han circulado dentro del sistema nuboso

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Rayos y truenos La electrificación de la nube: Uno de los procesos que tienen lugar dentro de lasa grandes torres de

cúmulos es la electrificación de la nube. Uno de los mecanismos mediante el cual se produce la electrificación es la separación de cargas.

Distribución de carga de una nube típica

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Algunos mecanismos de generación de carga

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Formación del rayo

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Carga ~ 30 Cu.Voltaje ~ 10 000 VInten. ~ 10 000Energía= V*C ~ 109 J