Traducido por Maialen Ruiz Prada

Imagen cortesía de Olaf Brust

La física de las nubes y su papel en nuestro clima han desconcertado a los científicos durante décadas. Karin Ranero Celius lo ha investigado. ¿Afectan las nubes al clima, o el clima a las nubes? Ambas son verdad. Sin embargo, las nubes son tan difíciles de comprender que no están todavía bien incorporadas en los modelos climáticos. Para ello sería necesario que entendiéramos cómo se forman las nubes, por qué aparecen y desaparecen, y por qué y cuándo precipitan. Con el fin de comprender esto, los científicos analizan el comportamiento de las nubes individuales, sus componentes y el efecto que provocan en su entorno.

Esencialmente, las nubes son masas visibles de gotitas de agua (o de cristales de hielo) suspendidas en la atmósfera terrestre. Para estudiarlas, los investigadores las dividen en categorías. Llamamos cirros a las nubes finas y tenues. Las nubes algodonosas, solas o en agrupaciones, son cúmulos. En los días nublados, el cielo está normalmente cubierto por nubes planas, difusas y monótonas: son estratos. Cada nube puede clasificarse en uno o en una combinación de estos tipos de nubes, tal y como se ve en el siguiente diagrama.

Además, las nubes se clasifican de acuerdo con su altitud en: nubes de nivel bajo (hasta 2000 m), de nivel medio (2000-6000 m), y de nivel alto (más de 6000 m). La altura de las nubes determina su temperatura, lo que a su vez determina la cantidad de energía que irradian. Las nubes de nivel alto son frías e irradian poco calor al espacio; en vez de eso, reflejan la radiación térmica de vuelta a la superficie terrestre, calentando la atmósfera y haciendo aumentar el efecto invernadero. Las nubes de nivel bajo, más compactas y cálidas, emiten más radiación térmica al espacio que la que reflejan de vuelta a la Tierra. Actúan como una sombrilla, reflejando la luz del Sol y por tanto enfriando la superficie de la Tierra.

La altitud de una nube, por tanto, determina su efecto en el clima. Estudiando la frecuencia de aparición de las nubes de nivel alto y de nivel bajo podemos empezar a entender el papel que juegan. Si los dos tipos de nubes aparecieran con la misma frecuencia, entonces los efectos de calentamiento y enfriamiento se cancelarían el uno al otro, dando como resultado un calentamiento o enfriamiento muy pequeño de la superficie de la Tierra. Si la frecuencia de aparición de las nubes de nivel alto aumentara y la de las nubes de nivel bajo disminuyera, se produciría un notable aumento en la temperatura de la atmósfera.

Niebla tóxica (smog) sobre el Valle del Po. Las pequeñas partículas presentes en esta niebla gris pueden retrasar la lluvia Imagen cortesía de NASA

En cualquier caso, ¿por qué aparecen y desaparecen las nubes y qué determina su formación y precipitación?

Núcleos de condensación

Partículas de ceniza volante tal y como se ven con un microscopio electrónico de barrido Imagen cortesía de the Max Planck Institute for Chemistry, Mainz, Germany

Todas las nubes tienen algo en común: se forman a partir de núcleos de condensación, también conocidos como aerosoles. Cuando el agua se evapora bajo el efecto del calor del Sol, el vapor asciende y las moléculas de agua se condensan en los aerosoles, los cuales pueden ser naturales, como algunas sales, o antropogénicos, por ejemplo algunos sulfatos. Si el núcleo de condensación tiene un diámetro de al menos 60-80 nm, puede acumularse una capa de agua a su alrededor, formándose una gota. Las nubes están compuestas de muchas de esas gotas. Si las gotas alcanzan un diámetro de 0.5-1 mm, caerán colisionando con otras gotas, asimilándolas y formando gotas de lluvia, las cuales pueden caer a una velocidad de hasta 35 km/h.

Los aerosoles juegan un importante papel en la formación de las nubes y también en su precipitación: determinan cuándo y dónde llueve. En una atmósfera prístina con muy pocas partículas, la luz del Sol hace que se evapore una gran cantidad de agua. A medida que asciende, el vapor encuentra muy pocos núcleos de condensación en el aire, por lo que las gotas que se forman alrededor de estos pocos núcleos son muy grandes y llueve muy fuerte.

En una atmósfera contaminada, el alto número de partículas de aerosol impide que buena parte de la radiación del Sol llegue al suelo, causando que se evapore menos agua. A medida que el vapor asciende, encuentra muchos núcleos de condensación y se crean más gotas que en el caso anterior pero de menor tamaño. Esto enlentece la formación de gotas de lluvia (las gotas solo caen cuando alcanzan los 0.5-1 mm), por lo que no llueve en el punto de origen. A medida que la nube continúa ascendiendo, se condensa más agua en los núcleos y las bajas temperaturas congelan las gotas. Por lo tanto, la nube no precipita y continúa ascendiendo.

Una alta concentración de aerosoles puede inhibir las precipitaciones, e incluso la formación de nubes al completo. Por ejemplo, se piensa que la concentración de aerosol en el norte de China es la causa de la gran variación observada en la frecuencia de precipitación. A escala global, por supuesto, todo el agua que se evapora tiene que precipitar eventualmente. Por lo tanto, en el caso de las nubes que vacían su carga en raras ocasiones, cuando finalmente lo hacen la precipitación ocurre de forma fuerte, causando inundaciones, desprendimientos de tierras y corrimientos de lodo.

Caos desconcertante

Aunque los aerosoles explican la formación de las nubes, y en cierta medida la frecuencia de precipitación, no explican otro factor crucial en el clima: ¿por qué cambian de forma las nubes, y por qué aparecen y desaparecen?

La forma y el ciclo de existencia de las nubes, y por tanto su influencia en el clima, están determinados por la turbulencia. En los extremos de una nube, la turbulencia mezcla el aire seco de los alrededores con el aire húmedo de la nube. Esto se llama “mezcla por arrastre”. A escala microscópica, el arrastre cambia la distribución y el tamaño de las gotas de la nube, afectando a la tendencia de la nube a llover o disipándola completamente. Pero su efecto también puede ser global. Por ejemplo, si se dispersan las nubes sobre el frecuentemente cubierto Océano Pacífico sudeste, habrá más radiación solar, contribuyendo a fenómenos como El Niño, que se caracteriza por un aumento en la temperatura del océano. Para pronosticar el destino de una nube, los científicos deben conocer cuán turbulentas son sus gotas: esto determina cómo de rápido se formarán y caerán las gotas de lluvia. Sin embargo, el estudio de la turbulencia en las nubes es una tarea compleja debido a las diferentes dimensiones de sus componentes (una pequeña gota, una gota de lluvia un poco más grande, una corriente de aire) y a los procesos físicos que tienen lugar dentro de y entre ellos.

Estratocúmulos marinos como estos sobre la costa del sudoeste de África reflejan la luz solar. ¿Aumentará su número si cambia el clima? Imagen cortesía de Jacques Descloitres, MODIS Land Rapid Response Team, NASA / GSFC

Para entender el efecto de la turbulencia, no solo hay que tener en cuenta la trayectoria y la velocidad de las gotas, sino también su aceleración. La aceleración fluctúa considerablemente, y puede alcanzar su punto máximo en más de 20 veces la fuerza de gravedad. La frecuencia de colisión, que aumenta la probabilidad de precipitación, viene determinada por grupos de gotas con una aceleración particularmente fuerte. Esas fuertes fluctuaciones en la aceleración podrían explicar por qué se ha encontrado que las gotas colisionan más rápidamente que lo que permiten las teorías físicas convencionales.

Cada vez más cerca de las nubes

Mientras algunos científicos intentan recrear las condiciones de turbulencia en las nubes utilizando enormes canales de viento, otros las estudian mediante simulaciones por ordenador y trabajo de campo.

Björn Stevens explica qué factores influyen en la estructura de las nubes tropicales de lluvia Imagen cortesía de David Ausserhofer

Por ejemplo, Björn Stevens, un investigador del Max Planck Institute for Meteorologyw1 en Hamburgo, Alemania, estudia los estratocúmulos marinos que se forman sobre las regiones frías subtropicales, como las costas del Pacífico en California y América del Sur y el litoral atlántico cerca de Namibia. Estas nubes ejercen una gran influencia en el clima global, cubriendo más de un décimo del área oceánica. Stevens descubrió que esas nubes son bastante peculiares: las imágenes del satélite muestran “agujeros” en el sólido manto nuboso y aunque estas nubes no causan normalmente lluvia fuerte, sí lo hacen en los alrededores de estos agujeros. Y cuando esas nubes precipitan, la turbulencia – la circulación de aire entre el océano y la nube – puede cambiar de forma radical.

Stevens y sus colegas están incorporando actualmente su recién descubierta información sobre el comportamiento de las nubes en los modelos computacionales climáticos globales. En estos modelos, se divide la atmósfera en cuadrículas y, para cada una, el ordenador calcula valores medios de temperatura, humedad y otras características de la atmósfera, y predice la formación de las nubes. Aunque los modelos no son aún lo suficientemente precisos como para predecir la localización exacta donde se formarán las nubes, sí pueden calcular el grado de cubrimiento nuboso y los tipos de nubes en cada cuadrícula, permitiendo de esta manera la cuantificación de la influencia de la radiación térmica y solar en la formación de las nubes.

Los científicos, por tanto, están todavía investigando la relación entre el grado de cubrimiento nuboso, las precipitaciones, los aerosoles y las propiedades del aire que rodea a las nubes. Todos estos aspectos son fundamentales para entender la relación entre las nubes y el cambio climático. Hoy por hoy, todavía queda un largo camino para descifrar todos los diferentes mecanismos implicados en el comportamiento de las nubes y, por tanto, su efecto en nuestro clima. Pero los científicos no se rendirán porque, como dijo el naturalista y filósofo del Renacimiento Francés René Descartes: “Las nubes tienen la llave para entender todas las cosas maravillosas de la Tierrra.”

Agradecimientos

Este artículo es una recopilación de otros tres, publicados en el Max Planck Research: Meier (2010), Hergersberg (2010) y Wengenmayr (2010). Max Planck Research es una publicación de la Max Planck Society que describe, con un lenguaje sencillo, el trabajo en sus institutos de investigación. La publicación trimestral se encuentra disponible para su descarga gratuita^w2.

Referencias

Meier C (2010) Water with a Nebulous Effect. Max Planck Research 2.2010: 17-23

Hergersberg P (2010) Droplets on a Roller Coaster. Max Planck Research 2.2010: 32-37

Russell A, Ricketts H, Knight S (2007) Clouds. Physics Education 42(5): 457-465. doi: 10.1088/0031-9120/42/5/002

Wengenmayr R (2010) The Seeds of Climate. Max Planck Research 2.2010: 24-31

Recursos en la red

w1 – Para saber más acerca del Max Planck Institute for Meteorology, consultar: www.mpimet.mpg.de

w2 – Para descargar cada ejemplar de Max Planck Research (disponible en inglés y alemán), se puede visitar la página web de la Max Planck Society (www.mpg.de) o utilizar el enlace directo: http://tinyurl.com/35aunrs

Recursos

Para saber más sobre el cambio climático y sus causas, consultar:

Benestad R (2007) ¿Qué sabemos sobre el clima? Evidencias sobre el cambio climático. Science in School 7: 49-51. www.scienceinschool.org/2007/issue7/climate/spanish

Benestad R (2008) ¿Qué sabemos del clima? Investigando los efectos antropogénicos del calentamiento global. Science in School 8: 48-51. www.scienceinschool.org/2008/issue8/climate/spanish

Para actividades relacionadas con nubes, consultar:

Bultitude K (2009) Llévate el tiempo atmosférico contigo. Science in School 11: 52-57. www.scienceinschool.org/2009/issue11/weather/spanish

Para actividades sobre cambio climático aptas para realizar en clase, ver:

Shallcross D, Harrison T, Henshaw S, Sellou L (2009) Fomentando el interés hacia los combustibles: experimentos sobre el cambio climático. Science in School 11: 38-43. www.scienceinschool.org/2009/issue11/climate/spanish

Shallcross D, Harrison T, Henshaw S, Sellou, L (2009) Observando los cielos: experimentos sobre el cambio climático. Science in School 12: 34-39. www.scienceinschool.org/2009/issue12/climate/spanish

Shallcross D, Harrison T (2008) Modelizado del Cambio Climático en el aula. Science in School 9: 28-33. www.scienceinschool.org/2008/issue9/climate/spanish

Shallcross D, Harrison T (2008) Practical demonstrations to augment climate change lessons. Science in School 10: 46-50. www.scienceinschool.org/2008/issue10/climate

En este mismo ejemplar hay dos artículos relacionados con el tema:

Harrison T, Shallcross D (2010) Un agujero en el cielo. Science in School 17: 46-53. www.scienceinschool.org/2010/issue17/ozone/spanish

Schülli T (2010) Science is cool... supercool. Science in School 17: 17-22. www.scienceinschool.org/2010/issue17/supercooling

Para echar un vistazo a todos los artículos sobre ciencia en Science in School, consultar: www.scienceinschool.org/sciencetopics

Karin Ranero Celius es licenciada en física y psicología y posee un título en museística. Su pasión por educar a otros en las maravillas de la ciencia la ha llevado a ser comunicadora científica. Se ha dedicado principalmente a la divulgación y a la educación, primero en el Instituto de Astrofísica de Canarias, en España, más tarde en el European Southern Observatory en Munich, Alemania, y actualmente en el European Molecular Biology Laboratory en Heidelberg, Alemania.

Opinión

En una época en la que muchos países están trabajando conjuntamente para aumentar el uso de los recursos renovables y reducir en la medida de lo posible el cambio climático y sus efectos, este artículo aporta una nueva perspectiva sobre el tema. La autora proporciona información detallada e interesante sobre la relación entre las nubes y el cambio climático, dando ejemplos de variadas zonas de la Tierra.

Este artículo puede utilizarse en diversas asignaturas científicas, como por ejemplo:

• Ciencia general: formación de nubes y precipitación (edad: de 10 a 12). El docente debería simplificar el artículo y probablemente omitir algunos detalles como las fluctuaciones en la aceleración, para adecuarlo a los alumnos más jóvenes.


• Geografía: observaciones climáticas, tipos de nubes, altura de las nubes (edad: de 10 a más de 16)


• Física: calor irradiado y reflejado, efecto invernadero, cambio climático (edad: mayores de 13)

Este artículo también puede servir como introducción a otras actividades. Los estudiantes más jóvenes podrían observar las nubes, la temperatura, la humedad y la cantidad de precipitación, y después presentar sus resultados en clase. También podrían debatir sobre el efecto de las nubes en el cambio climático y el efecto de una atmósfera contaminada en las precipitaciones.

La autora menciona algunos ejemplos específicos sobre cómo afectan las nubes a las temperaturas y al clima en el norte de China y el Pacífico sudeste, así como algunas investigaciones punteras en este campo. Se debería motivar a los estudiantes de más edad para que sigan investigando sobre la relación entre la formación de las nubes, los tipos de nubes y el cambio climático.

La gran cantidad de detalles de este artículo lo hace también adecuado para utilizarlo en ejercicios de comprensión en clase. A continuación, algunas sugerencias para posibles preguntas:

1. ¿De qué están hechas las nubes?


2. ¿Cómo se forman?


3. ¿Cómo afectan la altura y los núcleos de condensación a la temperatura de la superficie terrestre?


4. ¿Qué consecuencias tiene esto en el cambio climático?

Catherine Cutajar, Malta

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Recomendaciones de la revisora: Geografía, Física, Ciencia general Edades: entre 10 y 19