Las tormentas
En primer lugar, una tormenta ordinaria se compone de un número de células estrechamente cercanas pero casi independientes las unas de las otras. Entonces es mejor analizar una célula a la vez. Al hablar de célula nos referimos a una región con una superficie límite en la dirección horizontal en la que todos los procesos básicos ocurren. Normalmente Existen células de lado a lado y en cada una la misma cosa esta ocurriendo, aunque tal vez con un tiempo diferente.
El grafico anterior indica de manera idealizada que una célula se ve como en la etapa inicial de la tormenta. Resulta que en un determinado lugar en el aire, bajo ciertas condiciones que vamos a describir, hay un levantamiento general del aire, con velocidades más altas en la parte superior. Como el aire cálido y húmedo se eleva en la parte superior, se enfría y se condensa. En la figura anterior las cruces indican la nieve y los puntos indican la lluvia, pero debido a que las corrientes ascendentes son lo suficientemente grandes y las gotas son lo suficientemente pequeñas, la nieve y la lluvia no caen en esta etapa. Esta es la primera etapa, y no la verdadera tormenta todavía-en el sentido de que no tenemos todo lo que ocurre en el suelo. Al mismo tiempo que el aire caliente sube, hay un arrastre de aire de los lados; un punto importante que fue descuidado durante muchos años, por lo tanto, no es solo el aire que viene de abajo que está aumentando, sino que también una cierta cantidad de aire de los lados.
¿Por qué el aire sube de esa manera? Como bien sabes, cuando vas a mayores alturas el aire es mucho más frio. El suelo se calienta por el sol, y la radiación de calor hacia los cielos proviene del alto vapor de agua en la atmosfera; entonces a gran altura el aire es bastante frio, mientras que al ir más abajo en mucho más cálido. Usted puede decir, “entonces es muy simple. El aire caliente es más ligero que el frio, por lo tanto, la combinación es mecánicamente inestable y se eleva el aire caliente”. Por supuesto, si la temperatura es diferente a diferentes alturas, el aire es termodinámicamente inestable. Dejándose un periodo largo de tiempo el aire alcanzara la misma temperatura. Pero esto no es posible ya que el sol siempre está brillando durante el día. Por lo que el problema no es de hecho uno de equilibrio termodinámico, sino de equilibrio mecánico. Supongamos la trama en la figura:
La temperatura del aire versus la altura sobre el suelo, en circunstancias normales, nos encontraremos con un descenso a lo largo de una curva como la de la figura (a); como la altura aumenta entonces la temperatura baja. ¿Cómo puede la atmosfera ser estable? ¿Por qué el aire caliente que pasa por debajo sencillamente se levanta en el aire frio? La respuesta es esta: si el aire fuera a subir, la presión bajaría, y si tenemos en cuenta una determinada masa de aire que va hacia arriba, esta se expandiría adiabáticamente. (No habría calor viniendo o saliendo, porque para las grandes dimensiones aquí consideradas no existe tiempo para mucho flujo de calor). Por lo tanto la masa de aire frio que a medida sube como un proceso adiabático daría una relación temperatura-altura como se muestra en la curva (b). Cualquier aire que circule hacia arriba será mucho más frio que el que circula en el medio ambiente. Por lo tanto no hay razón para que el aire caliente circulante por debajo aumente, y si lo fuera seria para enfriar a una temperatura más baja que el aire que ya está allí, lo que lo haría aún más pesado que ese aire por lo que tendería a bajar de nuevo. En un buen día iluminado con poca humedad en el que hay una cierta velocidad a la que la temperatura en la atmosfera desciende, esta tasa de cambio es en general menor que el gradiente máximo estable, que es representado en la curva (b). El aire está en un equilibrio mecánico estable.
Por otro lado, si pensamos en una masa de aire que contiene una gran cantidad de vapor de agua siendo arrastrada en el aire hacia arriba, su curva de enfriamiento adiabático será diferente. En la medida que se expande y se enfría, el vapor de agua en ella se condensa y el agua de condensación liberara calor. El aire húmedo por lo tanto, no se enfría tanto como el aire seco lo hace. Entonces si el aire es más húmedo que el promedio que comienza a subir, su temperatura seguirá la curva (c) de la figura anterior. Aunque se enfriara un poco, todavía seguiría siendo más cálido que el aire que se encuentra circulando al mismo nivel. Si tenemos una región de aire cálido y húmedo y por alguna razón comienza a ir aumentando, siempre se encontrara más ligero y más caliente que el aire alrededor de él y seguirá incrementándose hasta llegar a mayor altura. Este es el mecanismo que hace que el aire en las células de una tormenta eléctrica aumente.
Por muchos años lo que ocurría en la célula de una tormenta eléctrica fue explicado de esta manera tan simple. Pero luego las mediciones mostraron que la temperatura en la nube a diferentes alturas no era tan alta como la mostrada en la curva (c) de la gráfica. La razón es, como el aire húmedo sube, este arrastra aire del medio ambiente el cual es enfriado por el mismo. La curva de temperatura vs altura se parece más a la curva (d), que es más cercana a la curva original (a) que a la curva (c).
Después de la convección que acabamos de describir, se pone en marcha la sección transversal de una célula de tormenta tal y como se ve en la siguiente figura:
Tenemos lo que se llama una tormenta “Avanzada”. Existe una muy rápida corriente de aire ascendente, que en esta etapa sube entre los 10.000 y 15.000 metros, incluso hasta más alto. Las nubes de tormenta en su etapa de condensación suben y salen fuera del banco de nubes, llevadas por una corriente de aire ascendente que suele ser de unos 60 kilómetros por hora. Como el vapor de agua es llevado hacia arriba y condensado, esto forma diminutas gotas que son rápidamente congeladas por temperaturas que están bajo los cero grados. Se deben de congelar, pero no lo hacen inmediatamente. El agua y otros líquidos por lo general son enfriados por debajo de su punto de congelación antes de cristalizar, si no hay “núcleos” presentes para comenzar el proceso de cristalización. Solo si existe una mínima pieza de material presente, como un pequeño cristal de NaCl, hará que la gota de agua se congele en un pequeño trozo de hielo. Luego el equilibrio es tal que las gotas de agua se evaporan y los cristales de hielo crecen. Por lo tanto en un momento determinado hay una rápida desaparición del agua y una rápida acumulación de hielo. También puede haber colisiones directas entre las gotas de agua y el hielo, colisiones en la que el agua sobreenfriada se adhiere a los cristales de hielo, lo que hace que se cristalice pronto. Así que en cierto momento de la expansión de la nube hay una rápida acumulación de partículas de hielo de gran tamaño.
Cuando las partículas de hielo son lo suficientemente pesadas, ellas comienzan a caer a través del aire ascendente, estas partículas se vuelven demasiado pesadas para ser soportadas por más tiempo en dicha corriente de aire. A medida que bajan, sacan un poco de aire con ellas y comienza una corriente de aire descendente. Por sorprendente que parezca, es fácil ver que una vez que la corriente descendente se ha iniciado, se mantendrá. El aire ahora circula hacia abajo.
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