Fsica de Nubes

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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

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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 mm
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 ?
  gt 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) gt Se pueden
  disolver en agua Ejemplo
• Partículas de sal común procedentes del océano
• Partículas de SO4(NH4)2 procedentes de la
  oxidación del sulfuro de dimetilo S(CH3)2
  (exhalado por algas marinas) o procedente de la
  contaminación atmosférica.
• Nitratos procedentes de la contaminación
  atmosférica
• 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

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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)

Sobresaturación crítica
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

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Tiempos de crecimiento de una gotita de agua
Los tiempos necesarios para que se formen gotitas
de lluvia son mucho mayor que los observados gt
Debe existir algún otro mecanismo de crecimiento
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Distribución típica de gotitas en el interior de
una nube (a) Espectro estrecho cúmulos de buen
tiempo, estrato-cúmulos, alto-estratos.
Número de gotitas elevado ( varios
cientos/cm3) (b) Espectro ancho cúmulos
congestus, cumulo-nimbos, nimbo-estratos. Número
de gotitas menos elevado ( menos de cien/cm3)
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Velocidad de caída
La 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 gt 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 mm 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
• Deposición
• Contacto
• Condensación
• 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 hielo Obtenidas
mediante microscopio electrónico (y a luz visible)
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(No Transcript)
27
(No Transcript)
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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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(No Transcript)
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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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Rime
Diferentes estados de agregación de cristales de
hielo y gotitas de agua sobreenfriadas
Graupel
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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 (CH)
• Nubes medias (CM)
• Nubes bajas y (CL)
• Nubes de desarrollo vertical

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

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

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

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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Nubes altas
40
Cirro-estratos
41
Cirro-cúmulos
42
Cirros procedentes de un cúmulo-nimbo
43
Cirro-estratos con halo
44
Cirros invadiendo el cielo
45
Nubes Medias
46
Alto-cúmulos
47
Nimbo-estratos
48
Nimbo-estratos con pannus
49
Nubes Bajas
50
Cumulo-Nimbo con yunque
51
Cúmulo-nimbo con yunque
52
Cúmulo-Nimbo
53
Cúmulos
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Cúmulo (cumulus congestus)
55
(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 suelo
• Ascenso inducido cerca de colinas, montañas
• Situaciones de fuerte convergencia horizontal
• Situaciones 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 V Inten. 10
000 Energía VC 109 J