Termodinámica de una Tormenta (1ªparte): Parámetros Convectivos en un Diagrama Oblicuo

Bienvenidos una semana más al meteorus. En este nuevo post, vamos a tratar un tema que me apasionó durante mi primer curso del máster en meteorología, y cuyo interés intentaré transmitiros en estas próximas lineas, y en futuros posts; ya que debido a su extensión, tendremos que separarlo en por lo menos tres artículos distintos.

He aquí amigos, el objeto de estudio. Las tormentas, sus distintos grados de severidad y virulencia, y como un simple sondeo vertical de temperatura y de temperatura del punto de rocío puede resolvernos un sinfín de incógnitas a la hora de predecir este tipo de fenómenos.

Seth, Teshub, Susanoo, Enlil, Iskur, Zeus…Desde los inicios de la humanidad, las tormentas han estado muy presentes en el desarrollo de la vida diaria de las personas como uno de los fenómenos más temibles y poderosos de la naturaleza.

Tal es así, que ya desde el periodo de florecimiento de la cultura mesopotámica, uno de los periodos más dulces en lo que a desarrollo se refiere para el ser humano, se le asignaron dos deidades distintas (Enlil y Iskur), fruto del poder y la aleatoriedad que emanaban este tipo de fenómenos atmosféricos, destructivo en algunos casos y beneficioso en otros; característico siempre de lo que en aquellos momentos se asociaba siempre al comportamiento de los dioses de la época.Pero esta asociación divina de las tormentas continuó muchos siglos después en culturas tan importante a lo largo de la historia humana como la Egipcia, la Griega clásica o incluso la Japonesa. A pesar de ello, fue Aristóteles quien en el año 350 a. C., hizo las primeras observaciones más o menos “científicas” de lo que eran las tormentas en aquella época en su libro “Meteorologica”. Después de este afloramiento de conocimiento, inicio de lo que hoy se considera como

Meteorología, hubo que esperar hasta el siglo XVII para que en la figura de René Descartes recayera de nuevo el interés por los fenómenos atmosféricos de este tipo, en su obra “Les Meteores”. Es cierto que anteriormente ya había habido avances sobre todo en el tema de la instrumentación meteorológica y la termodinámica, pero siempre centrándose únicamente en los parámetros medidos en cada caso, y nunca desde un punto de vista atmosférico global o de un fenómeno meteorológico en concreto.El siguiente salto temporal nos lleva ya al siglo XIX al continente Americano, donde fruto de la virulencia que pueden llegar a tener los fenómenos que vamos a analizar en este trabajo, en territorio Estadounidense; aparece la primera red de observación meteorológica de la historia, utilizando el telégrafo como medio de comunicación. También se datan las primeras grandes catástrofes asociadas a

las tormentas y los fenómenos que pueden venir asociadas a las mismas, sobretodo tornados. Observaciones que enlazan con los principios del nuevo siglo, y que poco a poco, con la revolución industrial, el desarrollo tecnológico asociado sobre todo en materia informática y de modelización numérica, junto a avances en observación tanto satelital como de redes de estaciones en superficie, nos ha llevado a la situación actual. Una situación que, como veremos más adelante en el trabajo que vamos a desarrollar; ha avanzado a pasos agigantados en el tema de la predicción de este tipo de sistemas meteorológicos, pero que a medida que evoluciona, saca a la luz nuevas incógnitas aún por descubrir.

Como en la mayor parte de la terminología meteorológica, las tormentas pueden definirse de muy variadas formas dependiendo de las características en las que queramos centrarnos en su definición. Así la OMM (Organización meteorológica mundial) solo se centra en las características eléctricas de este tipo de fenómenos, definiéndolas como “Una o varias descargas bruscas de electricidad atmosférica que se manifiestan por un destello breve e intenso (relámpago) y por un ruido seco o un retumbo sordo (trueno)".

Es decir, que para decir que se ha producido una tormenta, debe observarse aparato eléctrico, independientemente de si se han producido fuertes chubascos, rachas de viento intensas, u otro tipo de fenómenos asociados a las mismas; o no. Lo que ocurre es que por analogía, se suelen llamar "tormentas" a aquellos meteorológicos que presentan precipitación intensa, fuertes rachas de viento y/o granizo, aunque no se observe aparato eléctrico. Y como las tormentas casi siempre van asociadas a la formación de Cumulonimbus, lo mismo que esos fenómenos severos, en general se suele tomar la licencia de considerar una tormenta como un conglomerado de todos estos conceptos.

Como cualquier otro fenómeno meteorológico, la formación de tormentas requiere una serie de condiciones, o también llamados comúnmente en la jerga del meteorólogo como “ingredientes”; sin los cuales es imposible que podamos ver este tipo de fenómenos. Mezclándolos de maneras distintas y en cantidades diferentes obtendremos distintos tipos de tormentas pero dentro de cada tipo, no existen dos tormentas exactamente iguales y cada una tendrá sus propias características (mayor o menor riesgo de inundaciones, de fuertes rachas de viento…). Obviamente, no es necesario que estén presentes todos los ingredientes para que se produzca un episodio tormentoso, pero cada uno cumple una función importante. Aumento del riesgo de que se produzcan supercélulas, incremento de la probabilidad de granizo de gran tamaño, o riesgo de que se produzcan rachas fuertes de viento, son aspectos que dependen mucho de ciertos tipos de ingredientes.

Unos “ingredientes” que podemos clasificar en tres grupos bien definidos:

•       Los de forzamiento: Constituyen el mecanismo de disparo, son los que facilitan a una parcela de aire ascendente alcanzar el nivel de convección libre (NCL), sin una buena fuente de elevación, una parcela con una inestabilidad condicional tendrá problemas para  formar una tormenta.

•        Los de flotabilidad: tratan de determinar cómo serán los movimientos verticales del  aire, es decir la fuerza de las corrientes ascendentes convectivas que se puedan formar, pero también la fuerza de las corrientes de aire descendentes o la energía que necesita una parcela para llegar al NCL.

•        Los relacionados con la cizalladura: su aumento en la gran mayoría de ocasiones implica una mayor longevidad y organización de las tormentas convectivas, así como un aumento en la virulencia de los fenómenos asociados al tiempo severo. Algunos determinan la existencia de corrientes ascendentes rotatorias que pudieran dar lugar a supercélulas y tornados.

En este trabajo nos vamos a centrar en los parámetros pertenecientes a los dos primeros grupos, ya que el último de todos ellos pertenece a otra de las ramas más importantes de la meteorología como es la dinámica atmosférica. Y para ello nos valdremos de uno de los utensilios más utilizado en la meteorología, más antiguo, pero que con los años más se ha verificado su utilidad sobre todo a la hora de trabajar con este tipo de parámetros: Los Diagramas Oblicuos.

Desde que se realizaron las primeras observaciones de la atmósfera con utensilios tan rudimentarios como las radiovientosondas, los diagramas termodinámicos han sido el máximo exponente a la hora de representar gráficamente los datos de los mismos y evaluar la estabilidad de la atmósfera. A pesar de su antigüedad, el diagrama termodinámico continúa siendo una herramienta esencial para pronosticar el tiempo.  Actualmente, los diagramas no solo recogen los datos de sondeos, sino que conforme avanzó la ciencia meteorológica, fue captando nuevas fuentes de información cada vez más precisas como son los modelos numéricos y las observaciones remotas desde satélites.

Existen varios diagramas termodinámicos que se utilizan para analizar los sondeos en los ámbitos de investigación y operatividad de la meteorología: El diagrama de Stüve, el tefigrama, el diagrama de Clapeyron, el Diagrama de Neuhoff y el diagrama oblicuo T - log p, que también se conoce como diagrama de Herlofson.

En nuestro caso, el centrarnos en el Diagrama Oblicuo, es más que nada por ser el diagrama termodinámico que en la actualidad más centra el estudio de la atmósfera en sus distintos niveles. Concretamente, se ha utilizado ampliamente desde hace más de 50 años para hacer el pronóstico operativo del tiempo en la Fuerza Aérea, la Marina y el Servicio Meteorológico Nacional (NWS) de EE.UU.

Un diagrama cuyo diseño permite calcular gran cantidad de datos meteorológicos relacionados con la temperatura, la humedad, la estabilidad y otras propiedades termodinámicas de la atmósfera.

A continuación, vamos a intentar hacer ver al lector, como el origen y desarrollo de las tormentas en una determinada zona geográfica, se puede predecir con un margen de precisión bastante importante con la simple interpretación del correspondiente diagrama termodinámico de la zona.

Parámetros Claves en la Formación de una Tormenta

Temperatura potencial (theta)

La temperatura potencial (theta) es la temperatura que una muestra de aire tendrá si sigue un proceso adiabático seco hasta alcanzar una presión de 1000 hPa.Suele expresarse en grados Kelvin. El procedimiento para determinar la temperatura potencial en un diagrama oblicuo T-log p es el siguiente: 

Desde la curva de temperatura a una presión dada, seguir la adiabática seca hasta la isobara de 1000 hPa. El valor de la isoterma en este punto es igual a la temperatura potencial de la parcela de aire. La adiabática seca es una isoterma de temperatura potencial constante.

Nivel de condensación por ascenso (NCA)

El nivel de condensación por ascenso es la altura a la que una parcela de aire se satura cuando asciende siguiendo un proceso adiabático seco. Este tipo de condensación se produce generalmente cuando hay una elevación de aire a gran escala. Este es el caso del aire forzado a subir debido a un frente o un terreno montañoso.

En un sondeo, el NCA se encuentra en la intersección de la línea de razón de mezcla de saturación (equisaturada) que pasa por la temperatura de punto de rocío en la superficie con la adiabática seca que atraviesa la temperatura de la superficie.

Es siempre el más bajo de los niveles de condensación y señala el nivel a partir del cual es esperable la formación de nubes y por tanto la altura de su base. Cuando es menor que 1500 m las posibilidades de tornados aumentan, especialmente por debajo de 1000 m.

Estas nubes son a menudo estratiformes, pero pueden llegar a ser cumuliformes si la elevación continúa.Cuando el contenido de humedad cerca de las capas superficiales varía significativamente, para calcular el NCA se puede utilizar un valor promedio de humedad de la capa inferior en lugar del valor de la humedad de la parcela en la superficie.

Temperatura potencial equivalente (theta-e)

La temperatura potencial equivalente (theta-e) es la temperatura que tendrá una muestra de aire que pierde toda su humedad por condensación en un proceso pseudo-adiabático (es decir, utilizando el calor latente de condensación para calentarla) y luego vuelve al nivel de 1000 hPa mediante un proceso adiabático seco.La temperatura potencial equivalente es idéntica a la temperatura equivalente, excepto que la muestra sigue un proceso adiabático seco para evolucionar de la temperatura equivalente en el nivel inicial a la temperatura potencial equivalente en el nivel de 1000 hPa.

La temperatura potencial equivalente suele expresarse en grados Kelvin.El procedimiento para obtenerla a partir del diagrama oblicuo es el siguiente:

1.    A partir del punto de rocío a una presión dada, trazar una línea hacia arriba siguiendo una equisaturada. También, desde la curva de T a la presión dada, trazar una línea hacia arriba siguiendo una adiabática seca hasta que interseque la línea trazada desde el punto de rocío donde está el NCA.

2.   A partir de esta intersección, siga una adiabática saturada hacia arriba hasta el nivel de presión en que la adiabática saturada y la adiabática seca son paralelas. Este punto marca el nivel de presión donde se condensa toda la humedad de la muestra.

3.  A partir de esta presión, siga la adiabática seca hasta la isobara de 1000 hPa. La temperatura donde la adiabática seca cruza la isobara de 1000 hPa es la temperatura potencial equivalente (theta-e).

4.    En los casos de convección veraniega, uno puede considerar la convergencia en niveles bajos en penachos de alta theta-e como el indicador más útil para saber dónde se desarrollarán las tormentas. La convergencia cerca de la superficie debe dar lugar a movimientos ascendentes del aire y funcionar como un desencadenante de la convección. Sólo podrán desarrollarse también tormentas fuera de tales regiones de convergencia en los casos en los que la diferencia entre el NCL y el NCA sea muy pequeña. A 700 hPa más bien se preferirá ver vientos divergentes (o neutros) en la misma región, como reacción a la convergencia en niveles bajos. Esta pareja se puede desplazar algo horizontalmente. La convergencia a 700 hPa indica principalmente movimientos descendentes.

 Nivel de condensación por convección (NCC)

El NCC es la altura a la que una parcela de aire que se calienta lo suficiente desde la superficie, subirá adiabáticamente hasta que esté saturada. Normalmente, es la altura de la base de las nubes cumuliformes formadas por la convección térmica producida exclusivamente por el calentamiento de la superficie.

Para determinar el NCC en un sondeo, se comienza en el punto de rocío en la superficie, se sigue una equisaturada hasta que se interseque el perfil de temperatura del sondeo. El nivel de intersección es el NCC. Cuando el contenido en humedad de las capas cerca de la superficie varía significativamente, para calcular el NCC puede utilizarse un valor promedio de la humedad de la capa inferior en lugar del valor de la humedad de la parcela en la superficie.

Es útil conocer también la temperatura necesaria que tendría que tener una masa de aire en el suelo para que se diese la convección de forma natural. Con esto se pueden pronosticar tormentas locales de verano. Para determinar la temperatura de convección en el diagrama se hace lo siguiente: Desde el NCC se baja por una adiabática seca hasta el suelo. La temperatura correspondiente a este nivel es la temperatura convectiva.

Temperatura de disparo (Tc)

La temperatura de disparo (Tc) es la temperatura superficial que debe alcanzarse para iniciar la formación de nubes convectivas, causadas por el calentamiento solar de las capas más cercanas a la superficie.

A partir del nivel de condensación por convección (NCC) sobre el perfil de temperatura, siga una adiabática seca hacia abajo hasta la isobara de presión superficial. La temperatura que se lee en esta intersección es la temperatura de disparo (Tc).

Nivel de convección libre (NCL)

El nivel de convección libre (NCL) es la altura a la que una parcela de aire que asciende se torna más cálida que la atmósfera circundante y experimenta empuje convectivo.

Para calcularlo en el diagrama oblicuo se procede de la siguiente manera, a partir del nivel de condensación por ascenso (NCA) se sigue una adiabática saturada hacia arriba hasta intersecar con la curva de temperatura del sondeo. El nivel de esta intersección es el NCL.

NCA y diferencia entre el NCL y el NCA

La altura del NCA (donde se encuentra la base de una nube cumuliformes) de una parcela que represente a la capa 0-1 km está dibujada en el fondo. El NCA es similar al nivel de condensación convectivo, la altura en la que se encuentra la base de la nube cumuliforme en caso de alcanzarse la temperatura convectiva. Está claramente relacionado con la humedad relativa de la capa límite, por lo que las alturas muy bajas pueden asociarse con nubes bajas o nieblas durante la noche (y en algunos casos pueden incluso persistir durante el día impidiendo que el Sol caliente la superficie evitando la aparición de tormentas).

Un alto NCA puede intensificar los vientos de los reventones porque el aire de la corriente descendente estará más frío que el aire de su entorno y la flotabilidad negativa irá acelerando la velocidad de la corriente descendente. Unos altos NCA (>2000m) también pueden ser indicativos de una mayor dificultad a la hora del comienzo de la convección al poder tener complicaciones para sustentarse por sí misma debido al rozamiento o interacción con el ambiente seco. Los NCA bajos (inferiores a 1000 metros) favorecen la aparición de tornados.

Un mecanismo de disparo muy fuerte en niveles bajos puede empujar a la parcela hasta el NCL, de manera que se vuelve más cálida (ligera) que el aire de su entorno y experimenta una fuerza hacia arriba. Es más común que la capa cálida de inversión sea elevada adiabáticamente y eliminada, o que el calentamiento y la mezcla desde más abajo produzcan un NCA más alto y un NCL más bajo.

Los vectores representan la diferencia entre la base de la nube y el nivel de convección libre. Los vectores pequeños indican una pequeña diferencia entre el NCL y el NCA, por lo que prácticamente no se requiere un aporte extra de calor o de forzamiento para el inicio de la convección. Los vectores más largos precisan un mecanismo de forzamiento mayor y los vectores gruesos pueden indicar la presencia de demasiada inhibición convectiva que termine evitando la formación de tormentas. Por la noche, la diferencia entre el NCL y el NCA puede incrementarse de nuevo, pero por lo general las tormentas que ya se habían desarrollado persistirán durante algún tiempo, dependiendo de la humedad y del flujo de entrada relativo a la tormenta por encima de la capa límite. En general, cuanto menor sea la diferencia entre el NCL y el NCA, las tormentas se desarrollarán más fácilmente (se requiere menos forzamiento) y más pronto. Lo mismo ocurre cuando los NCA están más bajos porque el rozamiento es un problema menor.

Nivel de condensación por mezcla (NCM)

El nivel de condensación por mezcla (NCM) es la altura a la que ocurre la saturación después de que se haya mezclado completamente una capa.

Para determinar el NCM, en primer lugar es preciso estimar la altura de la parte superior de la capa de mezcla, algo que se hace en forma subjetiva mediante la aplicación de métodos locales de pronóstico.

Una vez realizado dicho cálculo estimado, se deben determinar la adiabática seca promedio y la razón de mezcla promedio de la capa de mezcla.La adiabática seca promedio se determina a partir de la curva T del sondeo por el método de áreas iguales.La razón de mezcla promedio se determina a partir de la curva T_d del sondeo también por el método de áreas iguales.

El NCM se encuentra en el nivel de intersección de la línea de razón de mezcla de saturación promedio con la adiabática seca promedio dentro de la capa de mezcla. Si el punto de intersección de estas dos líneas está en un nivel encima de la capa de mezcla, el aire mezclado es demasiado seco para llegar a la saturación por el proceso de mezcla y, por tanto, no existe un NCM.

Nivel de equilibrio (NE)

El nivel de equilibrio (NE) es la altura a la que la temperatura de una parcela de aire que asciende es igual a la temperatura del ambiente. El NE se puede determinar para parcelas que están en la superficie que ascienden mecánicamente o por calentamiento.

El Procedimiento para determinar el NE de una parcela que asciende mecánicamente desde la superficie en un diagrama oblicuo T - log p es:

A partir del NCL, seguir una adiabática saturada hacia arriba hasta intersecar con el perfil de temperatura. La presión en este punto de intersección es el nivel de equilibrio (NE).

Y el procedimiento para determinar el NE de una parcela que asciende por calentamiento desde la superficie en un diagrama oblicuo T - log p es:

A partir del NCC, siga una adiabática saturada hacia arriba hasta intersecar con el perfil de temperatura. La presión en este punto de intersección es el nivel de equilibrio (NE). Este punto marcaría el techo de las nubes.

Las tormentas pueden ser posibles con una temperatura en el nivel de equilibrio inferior a -10°C, y se convierten en especialmente probables más allá de -30°C.

Y hasta aquí meteolocos, llega la primera parte de esta serie de artículos dedicados a la termodinámica de las tormentas, en especial de todos aquellos parámetros que hace más fácil su predicción y que nos permiten conocer un poco más a fondo como va a ser la naturaleza y evolución de este tipo de fenómenos.

Antes de despedirme definitivamente quiero dar las gracias a Hugo Tomás García Torres, compañero de andadura en el máster, cuya ayuda y trabajo ha sido clave a la hora de dar forma al trabajo que va a ser pilar de este y los siguientes artículos que vereis en las próximas semanas.

Es un artículo algo denso y complejo, sobretodo en lo que al cálculo de parámetros convectivos se refiere, por lo que es lógico que tengais dudas. Espero poder resolverlas de la manera más amena posible.

Aquí os dejo de regalo y para acabar, un timelapse espectacular de una supercélula anticiclónica descomunal que tuvo lugar en Tejas unos días atrás. Espero que os guste.

Saludos!!!!!!!.