Formación de la precipitación

Las gotas de nubes tienen un diámetro del orden de 20 micrómetros o 0,02 milímetros (el cabello humano tiene un diámetro de aproximadamente 75 micrómetros). Por ser muy pequeñas son muy ligeras y su velocidad de caída es muy baja. Si cayeran desde un kilómetro de altura tardarían 2 días en llegar al suelo, pero no lo logran ya que se evaporan antes de llegar al suelo. Una gota de agua está sometida a la aceleración de gravedad hacia abajo y a medida que su velocidad aumenta mientras cae, la fuerza producida por el roce con el aire que la rodea, también aumenta, hasta que después de un corto tiempo equilibra al peso de la gota. Desde ese momento la gota cae con una rapidez constante, llamada velocidad límite. En la tabla 6.3 se dan algunos valores típicos para gotas esféricas. Si el aire mismo tuviese movimiento vertical, las gotas caerían relativa al aire con esas velocidades. Una gota grande puede estar sostenida en el aire si la corriente ascendente es de unos 10 m/s y las gotas mas pequeñas ascenderían entonces en la nube. Corrientes verticales de tales velocidades se producen generalmente en las tormentas. Cuando hay gotas de diferentes tamaños como se ve en la figura 6.13, sus velocidades de caída variarán en un amplio rango, lo que produce muchas oportunidades de choques entre ellas. Otra característica importante es cuando una gota crece hasta tener un diámetro mayor que 6 mm, en cuyo caso su velocidad de caída es superior a los 10 m/s. A velocidades tan altas, las gotas se aplastan y se desmenuzan en muchas gotas mas pequeñas, tales como gotas de llovizna. Este es un límite superior para el tamaño de las gotas que pueden caer en la atmósfera. Si se vaciase un cubo de agua desde lo alto de un edificio, el agua caería en forma de gotitas de lluvia corrientes, a menos que el aire este tan seco que las gotas se evaporen antes de llegar al suelo.

Clase de Gota	Diametro en mm	Velocidad de Caida m/s
Gota de Lluvia Grande	5	9
Gota de Lluvia Pequeña	1	4
Lluvia fina	0,5	2,5
Llovizna	0,2	1,5
Gotita de nube grande	0,1	0,3
Gotita de nube común	0,05	0,08
Nucleos de gotitas incipientes	0,01	0,003
	0,002	0,0001
	0,001	0,00005

Las nubes están formadas por billones de gotas y su crecimiento por condensación es muy poco. Una gota de lluvia suficientemente grande para llegar a tierra sin evaporarse debe contener aproximadamente un millón de gotas de nubes (figura 6.1). Por lo tanto para que se forme la precipitación, deben juntarse millones de gotitas de nubes en gotas suficientemente grandes para formar gotas de lluvia, que logren persistir durante su descenso. Para esto se han propuesto dos procesos de formación de precipitación, llamados uno de ellos proceso de los cristales de hielo y el otro proceso de captura.

Proceso de Bergeron o de los cristales de hielo.

Tor Bergeron (1891 – 1971) fue un meteorólogo Sueco, quien propuso este método en 1928. Se basa en dos propiedades del agua en las nubes:

a) Las gotas de agua en las nubes no se congelan a 0º C, sino que aproximadamente a -20º C. El agua en estado líquido bajo 0º C se llama sobreenfriada, y se congela rápidamente con cualquier agitación. Las gotas sobreenfriadas se congelan en contacto con partículas sólidas con estructura cristalina similar al hielo (por ejemplo yoduro de plata), llamados núcleos de congelación, necesarios para comenzar el proceso de congelación, similar a la condensación en los núcleos de condensación. Los núcleos de congelación son escasos en la atmósfera. Las nubes con temperaturas entre 0 y -10º C están formadas por agua sobreenfriada, entre -10º a -20º C por agua y cristales de hielo, y menores a -20º C por cristales de hielo, como los cirrus.

b) La presión de vapor de saturación sobre los cristales de hielo es mucho menor que sobre el agua sobreenfriada. Por lo tanto las moléculas de agua escapan fácilmente de una gota de nube sobreefriada por encontrarse esta sometida a mayor presión. En la figura 6.14 se muestra el esquema del interior de una nube con un cristal de hielo rodeado de miles de gotas y moléculas de agua. Las moléculas chocan con el cris tal, este crece lo suficiente para empezar a caer. En su caída el hielo choca con gotas de nube, crece mas, el movimiento del aire puede romper ese cristal produciendo mas núcleos de congelación y se repite el proceso. Esta reacción en cadena desarrolla muchos cristales de nieve y por crecimiento forman grandes masas llamadas copos de nieve, formados por 10 a 30 cristales de nieve. Mientras caen pueden derretirse y continuar su caída como lluvia. Este es el proceso común de la lluvia frontal de latitudes medias.

Proceso de coalescencia o de captura por choques.

Existen muchas nubes con temperaturas mayores que las de congelación de las gotas, se llaman nubes cálidas, donde no es posible la existencia de cristales de hielo, por lo que existe otro proceso de precipitación llamado de coalescencia. En las nubes se pueden formar grandes gotas cuando hay núcleos de condensación gigantes, mayores que 20 micrómetros, o con núcleos higroscópicos que pueden crecer rápidamente. Estas gotas de nubes grandes caen mas rápidamente que las pequeñas (figura 6.15). Por ejemplo si una gota tiene un diámetro entre 2 y 5 milímetros, su rapidez de caída varia entre 20-35 km/hr. A medida que esta gota cae, choca con las gotas de nubes mas pequeñas que se le unen, la gota crece y cae aun mas rápido (o si las corrientes de aire son muy fuertes puede ascender lentamente) y aumenta el número de choques con las gotitas de nubes y sigue creciendo. Cuando ha capturado del orden de un millón de gotas, cae a superficie sin evaporarse. Si una gota crece mas que 5 mm de diámetro cayendo a 35 km/hr (10 m/s), su tensión superficial no la puede mantener en ese estado y se rompe, dividiéndose en muchas otras gotas pequeñas que repiten un proceso similar, produciéndose la lluvia. Pero los choques de las gotas no garantizan su unión (o coalescencia), porque la corriente de aire que forma la gota en su caída puede alejar las gotitas, o porque las gotas pueden tener carga eléctrica de igual signo y se repelen; en este caso la electricidad de la atmósfera puede ser importante en generar gotas grandes y precipitaciones. Este es el proceso mas común de lluvias convectivas de zonas tropicales.