10 julio 2006
El Aire - Meteorología básica para pilotos
Debido a los comentarios dejados por algunos lectores del blog, (tal vez fue uno solo que dejó varios), nos pusimos a investigar y a repasar más en detalle los aspectos involucrados en la formación y composición de las nubes para dejar una respuesta satisfactoria y cerrar el tema. Si, demostrar que las nubes pueden tener un relativamente alto porcentaje de vapor de agua en su composición. Encontramos tanto material, y gran parte de este por demás interesante que resultó ser la semillita para esta nueva serie, Meteorología básica para pilotos, que irá abarcando nota tras nota diversos temas. Hoy, para empezar bien por la base, nos centraremos en el aire y su comportamiento.
El aire
Se denomina aire a la mezcla de gases que componen la atmósfera terrestre, la cual se mantiene alrededor de la Tierra debido a la fuerza de gravedad. En especial nos centraremos en la troposfera (estrato inferior de la atmósfera), en la cual se desarrollan los fenómenos meteorológicos de nuestro interés. La composición de esta mezcla es ligeramente variable debido en gran parte al vapor de agua que puede variar entre el 0 y el 7% del total. Así, si analizamos el aire seco (sin vapor de agua) su composición es:
El 0,003% restante está formado por ozono, hidrógeno molecular, otros gases nobles como el criptón, etc.
Agua en la atmósfera
La atmósfera contiene agua en forma de:
En total contiene unos 12 000 km3 de agua, de los cuales la mitad se encuentra entre 0 y 1800 msnm
Humedad
Una masa de aire no puede contener una cantidad ilimitada de vapor de agua. Hay un límite a partir del cual el exceso de vapor se licua en gotitas. Este límite depende de la temperatura ya que el aire caliente es capaz de contener mayor cantidad de vapor de agua que el aire frío. Así, por ejemplo, 1 m3 de aire a 0 ºC puede llegar a contener como máximo 4,85 gramos de vapor de agua, mientras que 1 m3 de aire a 25 ºC puede contener 23,05 gramos de vapor de agua. Si en 1 m3 de aire a 0 ºC intentamos introducir más de 4,85 gramos de vapor de agua, por ejemplo 5 gramos, sólo 4,85 permanecerán como vapor y los 0,15 gramos restantes se convertirán en agua. Con estas ideas se pueden entender los siguientes conceptos muy usados en las ciencias atmosféricas:
Humedad de saturación: Es la cantidad máxima gramos de vapor de agua que puede contener un Kg. de aire seco en unas condiciones determinadas de presión y temperatura.
Humedad absoluta: Es la cantidad de gramos de vapor de agua contenida en 1 m3 de aire.
Humedad específica: Es la cantidad de gramos de vapor de agua contenida en 1 Kg. de aire humedo.
Proporción de mezcla: Es la cantidad de gramos de vapor de agua por cada Kg. de aire seco que contiene la masa de aire que estemos analizando.
Humedad relativa: Es la relación entre la cantidad de vapor de agua contenido realmente en el aire estudiado (humedad absoluta) y el que podría llegar a contener si estuviera saturado (humedad de saturación). Se expresa en un porcentaje. Así, por ejemplo, una humedad relativa normal junto al mar puede ser del 90% lo que significa que el aire contiene el 90% del vapor de agua que puede admitir, mientras un valor normal en una zona seca puede ser de 30%.
Temperatura de saturación: Es la temperatura en la cual una masa de aire alcanza el 100% de humedad relativa, sin que varíe la presión de la misma. Si la temperatura desciende de ese punto el excedente de vapor de agua se condensará formando pequeñas gotitas y liberando calor. La temperatura de saturación se obtiene mediante un termómetro de bulbo húmedo.
Diagramas termodinámicos
Primero entendamos que los diagramas termodinámicos son gráficos que contienen líneas, las cuales muestran la solución de un conjunto de ecuaciones. Por ejemplo el diagrama de Stüve, uno de los tantos diagramas utilizados, antes de que le agreguemos la información de temperatura obtenida mediante un radiosondeo, tiene ya unas 40 líneas. Así y todo es llamado un “diagrama en blanco”.
Diagrama de Stüve en Blanco
En este diagrama encontramos diferentes tipos de líneas, cada una de ellas destacada en un color. Las líneas de presión ó altura SNM son horizontales y las de temperatura son verticales. La relación entre altura y presión (en mb) es aproximada, siendo válida solo para una atmósfera estándar.
Adiabáticas
Se denomina adiabáticas a las líneas del diagrama que se utilizan para calcular que ocurre con la temperatura de una burbuja de aire que se eleva o desciende. Estas tienen valores conocidos y no varían en el tiempo.
Adiabáticas secas
Son las líneas negras inclinadas del diagrama, muestran la variación de temperatura de una masa de aire que asciende o desciende sin que tenga lugar condensación u evaporación de agua. Este cambio de temperatura se debe solo a las variaciones de presión que sufre el aire. Notemos que son rectas paralelas entre si y que por cada 100 m que varía la altura la temperatura lo hace en 1 ºC.
Adiabáticas húmedas
Las líneas rojas, se denominan adiabáticas húmedas, y muestran las variaciones de temperatura de una masa de aire que asciende con una constante condensación de agua, o que baja con una constante evaporación de agua. A medida que aumenta mucho la altura o disminuye mucho la temperatura la adiabática húmeda se acerca a su correspondiente adiabática seca (es su asíntota). Notemos que la variación de temperatura es inferior en comparación con la adiabática seca, considerando la misma variación de altura.
Curva de saturación
Las líneas azules son las líneas de saturación e indican los gramos de vapor de agua que puede contener cada Kg. de aire seco a una presión ó altura y temperatura determinada. Notemos que las mismas son paralelas y que a medida que aumenta la temperatura del aire, su capacidad para contener vapor de agua aumenta de forma exponencial.
Estas líneas dibujadas en el diagrama en blanco representan valores de referencia, pero por cada punto del diagrama pasa una adiabática seca, una adiabática húmeda y una línea de saturación. Que se pueden calcular de forma aproximada haciendo la interpolación adecuada.
Así, una masa de aire que asciende desde el suelo se va enfiando siguiendo lo que indica la adiabatica seca hasta que alcanza la temperatura de saturación. A partir de ese punto, de continuar ascendiendo, lo hará con una constante condensación de agua y pasará a enfriarse siguiendo lo que indica la adiabática húmeda. El contenido de vapor de agua aún remanente en el aire se puede calcular buscando la curva de saturación que corta a la adiabática húmeda en dicho punto.
Y esto para que sirve?
Un diagrama en blanco, como el anterior tiene mucha información útil, pero la mayor utilidad se la encontraremos al agregarle la grafica del gradiente de temperaturas con los datos reales observados mediante una radiosonda o en caso de no disponer de observaciones reales, se puede acudir al pronostico, cuyos datos son obtenidos a partir de cálculos numéricos, y se encuentran disponible en Internet (próximamente ampliaremos sobre pronósticos en la Web).
Un Ejemplo
Suponiengamos las siguientes mediciones de temperatura del aire en altura efectuadas por la mañana y que el suelo se encuentra a 300 msnm.
Puntos medidos:
Grafica de temperatura del aire
Entre los puntos A y B y entre los puntos C y D existen inversiones de temperatura. A partir del punto D la temperatura desciende un poco menos que la adiabática seca, pero más que la adiabática húmeda que pasan por dicho punto. Sabiendo que en el suelo se ha medido una temperatura de saturación 1,2 ºC por debajo de la temperatura del aire, lo cual significa que el vapor de agua comenzará a condensarse y a formar nubes si la temperatura desciende 1,2 ºC y la presión no cambia. Con este ultimo dato podemos deducir que el aire contiene aproximadamente 10 gramos de vapor de agua por cada Kg. de aire seco (buscamos o calculamos la línea de saturación que pasa por el punto 13,8 ºC a nivel del suelo).
NOTA: Para analizar el grafico supondremos que la ascensión térmica es adiabática y que una burbuja de aire continúa subiendo mientras sea más caliente que el aire circundante. (no se considera la inercia de las masas ni los efectos de mezcla dado que tienden a anularse mutuamente).
Para comenzar con el análisis, lo primero que hacemos es trazar la adiabática seca que pasa por el punto B hasta la isobara de nivel del suelo (la recta horizontal punteada que representa los 300 msnm) y con ella determinamos el valor de la temperatura A1, temperatura a partir de la cual las térmicas comenzaran a perforar la primera inversión más baja.
Luego marcamos el punto T2 donde la gráfica del gradiente se corta con la curva de saturación correspondiente a la masa de aire que estamos estudiando (la 10 gramos de vapor por Kg. de aire seco), luego desde este punto trazamos la adiabática seca hasta el nivel del suelo para obtener el valor de temperatura A2. Dicho valor resulta ser la temperatura necesaria en el suelo para que las térmicas alcancen la altura suficiente para comenzar a formar nubes al condensar el excedente de vapor de agua.
Finalmente trazamos la adiabática húmeda que pasa por el punto D hacia abajo hasta su intersección con la curva de saturación de 10 gramos de vapor por Kg. de aire seco, obteniendo el punto T3 y trazamos luego la adiabática seca que pasa por T3 hasta el nivel del suelo para obtener el valor A3. Este último valor es la mínima temperatura que necesitará una térmica a nivel del suelo para ascender al menos hasta los 1750 msnm, punto en que se alcanza la temperatura de saturación y a partir de la cual continuará ascendiendo variando su temperatura de acuerdo a la adiabática húmeda, sin ser detenida por la segunda inversión.
Notar que para algún valor de temperatura a nivel del suelo entre A2 y A3, la intersección de la adiabática seca con la curva de saturación será entre los puntos T2 y T3, a partir de donde seguirá ascendiendo variando su temperatura de acuerdo con la adiabática húmeda, la cual finalmente se cortaría con la grafica del gradiente entre los puntos C y D. (o sea que la térmica es detenida por la segunda inversión).
Conclusión:
La cantidad de vapor en el aire es todavía importante, inclusive mucho despues de que la térmica alcance la base de la nube y siendo en días con altos valores de humedad y temperatura notablemente superior a la cantidad de agua en estado líquido, llegando a ser despreciable la cantidad de vapor solo cuando la adiabática húmeda se acerca lo suficiente a su correspondiente adiabática seca.
El aire
Se denomina aire a la mezcla de gases que componen la atmósfera terrestre, la cual se mantiene alrededor de la Tierra debido a la fuerza de gravedad. En especial nos centraremos en la troposfera (estrato inferior de la atmósfera), en la cual se desarrollan los fenómenos meteorológicos de nuestro interés. La composición de esta mezcla es ligeramente variable debido en gran parte al vapor de agua que puede variar entre el 0 y el 7% del total. Así, si analizamos el aire seco (sin vapor de agua) su composición es:
- Nitrógeno:78,084 %
- Oxígeno: 20,946 %
- Argón: 0,934 %
- Dióxido de Carbono: 0,033 %
El 0,003% restante está formado por ozono, hidrógeno molecular, otros gases nobles como el criptón, etc.
Agua en la atmósfera
La atmósfera contiene agua en forma de:
- Vapor que se comporta como un gas
- Pequeñas gotitas líquidas (nubes)
- Cristalitos de hielo (nubes)
En total contiene unos 12 000 km3 de agua, de los cuales la mitad se encuentra entre 0 y 1800 msnm
Humedad
Una masa de aire no puede contener una cantidad ilimitada de vapor de agua. Hay un límite a partir del cual el exceso de vapor se licua en gotitas. Este límite depende de la temperatura ya que el aire caliente es capaz de contener mayor cantidad de vapor de agua que el aire frío. Así, por ejemplo, 1 m3 de aire a 0 ºC puede llegar a contener como máximo 4,85 gramos de vapor de agua, mientras que 1 m3 de aire a 25 ºC puede contener 23,05 gramos de vapor de agua. Si en 1 m3 de aire a 0 ºC intentamos introducir más de 4,85 gramos de vapor de agua, por ejemplo 5 gramos, sólo 4,85 permanecerán como vapor y los 0,15 gramos restantes se convertirán en agua. Con estas ideas se pueden entender los siguientes conceptos muy usados en las ciencias atmosféricas:
Humedad de saturación: Es la cantidad máxima gramos de vapor de agua que puede contener un Kg. de aire seco en unas condiciones determinadas de presión y temperatura.
Humedad absoluta: Es la cantidad de gramos de vapor de agua contenida en 1 m3 de aire.
Humedad específica: Es la cantidad de gramos de vapor de agua contenida en 1 Kg. de aire humedo.
Proporción de mezcla: Es la cantidad de gramos de vapor de agua por cada Kg. de aire seco que contiene la masa de aire que estemos analizando.
Humedad relativa: Es la relación entre la cantidad de vapor de agua contenido realmente en el aire estudiado (humedad absoluta) y el que podría llegar a contener si estuviera saturado (humedad de saturación). Se expresa en un porcentaje. Así, por ejemplo, una humedad relativa normal junto al mar puede ser del 90% lo que significa que el aire contiene el 90% del vapor de agua que puede admitir, mientras un valor normal en una zona seca puede ser de 30%.
Temperatura de saturación: Es la temperatura en la cual una masa de aire alcanza el 100% de humedad relativa, sin que varíe la presión de la misma. Si la temperatura desciende de ese punto el excedente de vapor de agua se condensará formando pequeñas gotitas y liberando calor. La temperatura de saturación se obtiene mediante un termómetro de bulbo húmedo.
Diagramas termodinámicos
Primero entendamos que los diagramas termodinámicos son gráficos que contienen líneas, las cuales muestran la solución de un conjunto de ecuaciones. Por ejemplo el diagrama de Stüve, uno de los tantos diagramas utilizados, antes de que le agreguemos la información de temperatura obtenida mediante un radiosondeo, tiene ya unas 40 líneas. Así y todo es llamado un “diagrama en blanco”.
Diagrama de Stüve en Blanco
En este diagrama encontramos diferentes tipos de líneas, cada una de ellas destacada en un color. Las líneas de presión ó altura SNM son horizontales y las de temperatura son verticales. La relación entre altura y presión (en mb) es aproximada, siendo válida solo para una atmósfera estándar.
Adiabáticas
Se denomina adiabáticas a las líneas del diagrama que se utilizan para calcular que ocurre con la temperatura de una burbuja de aire que se eleva o desciende. Estas tienen valores conocidos y no varían en el tiempo.
Adiabáticas secas
Son las líneas negras inclinadas del diagrama, muestran la variación de temperatura de una masa de aire que asciende o desciende sin que tenga lugar condensación u evaporación de agua. Este cambio de temperatura se debe solo a las variaciones de presión que sufre el aire. Notemos que son rectas paralelas entre si y que por cada 100 m que varía la altura la temperatura lo hace en 1 ºC.
Adiabáticas húmedas
Las líneas rojas, se denominan adiabáticas húmedas, y muestran las variaciones de temperatura de una masa de aire que asciende con una constante condensación de agua, o que baja con una constante evaporación de agua. A medida que aumenta mucho la altura o disminuye mucho la temperatura la adiabática húmeda se acerca a su correspondiente adiabática seca (es su asíntota). Notemos que la variación de temperatura es inferior en comparación con la adiabática seca, considerando la misma variación de altura.
Curva de saturación
Las líneas azules son las líneas de saturación e indican los gramos de vapor de agua que puede contener cada Kg. de aire seco a una presión ó altura y temperatura determinada. Notemos que las mismas son paralelas y que a medida que aumenta la temperatura del aire, su capacidad para contener vapor de agua aumenta de forma exponencial.
Estas líneas dibujadas en el diagrama en blanco representan valores de referencia, pero por cada punto del diagrama pasa una adiabática seca, una adiabática húmeda y una línea de saturación. Que se pueden calcular de forma aproximada haciendo la interpolación adecuada.
Así, una masa de aire que asciende desde el suelo se va enfiando siguiendo lo que indica la adiabatica seca hasta que alcanza la temperatura de saturación. A partir de ese punto, de continuar ascendiendo, lo hará con una constante condensación de agua y pasará a enfriarse siguiendo lo que indica la adiabática húmeda. El contenido de vapor de agua aún remanente en el aire se puede calcular buscando la curva de saturación que corta a la adiabática húmeda en dicho punto.
Y esto para que sirve?
Un diagrama en blanco, como el anterior tiene mucha información útil, pero la mayor utilidad se la encontraremos al agregarle la grafica del gradiente de temperaturas con los datos reales observados mediante una radiosonda o en caso de no disponer de observaciones reales, se puede acudir al pronostico, cuyos datos son obtenidos a partir de cálculos numéricos, y se encuentran disponible en Internet (próximamente ampliaremos sobre pronósticos en la Web).
Un Ejemplo
Suponiengamos las siguientes mediciones de temperatura del aire en altura efectuadas por la mañana y que el suelo se encuentra a 300 msnm.
Puntos medidos:
- A: 300 msnm / 15 ºC
- B: 600 msnm / 19 ºC
- C: 1500 msnm / 11 ºC
- D: 1750 msnm / 11,1 ºC
Grafica de temperatura del aire
Entre los puntos A y B y entre los puntos C y D existen inversiones de temperatura. A partir del punto D la temperatura desciende un poco menos que la adiabática seca, pero más que la adiabática húmeda que pasan por dicho punto. Sabiendo que en el suelo se ha medido una temperatura de saturación 1,2 ºC por debajo de la temperatura del aire, lo cual significa que el vapor de agua comenzará a condensarse y a formar nubes si la temperatura desciende 1,2 ºC y la presión no cambia. Con este ultimo dato podemos deducir que el aire contiene aproximadamente 10 gramos de vapor de agua por cada Kg. de aire seco (buscamos o calculamos la línea de saturación que pasa por el punto 13,8 ºC a nivel del suelo).
NOTA: Para analizar el grafico supondremos que la ascensión térmica es adiabática y que una burbuja de aire continúa subiendo mientras sea más caliente que el aire circundante. (no se considera la inercia de las masas ni los efectos de mezcla dado que tienden a anularse mutuamente).
Para comenzar con el análisis, lo primero que hacemos es trazar la adiabática seca que pasa por el punto B hasta la isobara de nivel del suelo (la recta horizontal punteada que representa los 300 msnm) y con ella determinamos el valor de la temperatura A1, temperatura a partir de la cual las térmicas comenzaran a perforar la primera inversión más baja.
Luego marcamos el punto T2 donde la gráfica del gradiente se corta con la curva de saturación correspondiente a la masa de aire que estamos estudiando (la 10 gramos de vapor por Kg. de aire seco), luego desde este punto trazamos la adiabática seca hasta el nivel del suelo para obtener el valor de temperatura A2. Dicho valor resulta ser la temperatura necesaria en el suelo para que las térmicas alcancen la altura suficiente para comenzar a formar nubes al condensar el excedente de vapor de agua.
Finalmente trazamos la adiabática húmeda que pasa por el punto D hacia abajo hasta su intersección con la curva de saturación de 10 gramos de vapor por Kg. de aire seco, obteniendo el punto T3 y trazamos luego la adiabática seca que pasa por T3 hasta el nivel del suelo para obtener el valor A3. Este último valor es la mínima temperatura que necesitará una térmica a nivel del suelo para ascender al menos hasta los 1750 msnm, punto en que se alcanza la temperatura de saturación y a partir de la cual continuará ascendiendo variando su temperatura de acuerdo a la adiabática húmeda, sin ser detenida por la segunda inversión.
Notar que para algún valor de temperatura a nivel del suelo entre A2 y A3, la intersección de la adiabática seca con la curva de saturación será entre los puntos T2 y T3, a partir de donde seguirá ascendiendo variando su temperatura de acuerdo con la adiabática húmeda, la cual finalmente se cortaría con la grafica del gradiente entre los puntos C y D. (o sea que la térmica es detenida por la segunda inversión).
Conclusión:
La cantidad de vapor en el aire es todavía importante, inclusive mucho despues de que la térmica alcance la base de la nube y siendo en días con altos valores de humedad y temperatura notablemente superior a la cantidad de agua en estado líquido, llegando a ser despreciable la cantidad de vapor solo cuando la adiabática húmeda se acerca lo suficiente a su correspondiente adiabática seca.
# posted by Gryphus-El cóndor de las pampas @ 10:55 p. m. 
