¿Cómo se forman las nubes?

Que tal comunidad, ¡Bienvenidos a un blog más de terraXplora! El día de hoy les traemos un tema muy interesante, sobre el cual seguramente tienen más curiosidad luego de ver cómo creamos una nube de forma casera. Pues es justamente aquí que les hablaremos con más detalle sobre cómo se forman las nubes!

Las nubes: Colosos del cielo

Primero lo primero, ¿Qué es una nube? Bueno, a simple vista solo podemos apreciar las nubes como bolitas de algodón gigantes flotando por ahí, algunas con diferentes formas, alargadas, abultadas, más altas o más bajas, etc. A pesar de lo que se cree comúnmente, las nubes no son vapor de agua, sino una gigantesca cantidad de pequeñas gotitas de agua suspendidas en el aire. El conjunto de todas estas gotitas puede llegar a juntar incluso miles de toneladas de agua, aunque esto dependerá de la densidad de gotitas que tenga dicha nube. Estas gotitas miden aproximadamente 20 micrómetros  (0.2 mm, las gotas de lluvia miden 2mm o más), por lo que son tan ligeras que pueden permanecer suspendidas en el aire. Además, las nubes que se encuentran en la parte media a superior de la troposfera (capa de la atmósfera que va de la superficie hasta aproximadamente 10-20 km dependiendo de la latitud) también pueden estar formadas por cristales de hielo, lo que genera toda una variedad de fenómenos ópticos interesantes!

Las nubes, como bien dijimos, están formadas de grandes cantidades de agua que se encuentra en estado líquido. Aunque no lo podamos apreciar a simple vista, el aire contiene agua en un porcentaje de su composición, en forma de vapor. Puedes notar la diferencia, por ejemplo, cuando estás en la playa, o cuando estás en algún lugar más árido o desértico. Al estar en la playa se puede sentir el famoso “calor húmedo”, que ocurre porque el calor provoca que el agua del mar se evapore, y sucede que el aire funciona como una especie de solvente para el vapor de agua, es decir, puede absorber el vapor como lo haría una esponja. Otro ejemplo de esto sería como mezclar azúcar en el agua de limón, y ya que el agua de limón está funcionando como disolvente, el azúcar se va a incorporar a esta y no la vamos a poder ver. Pero, ¿Qué sucede cuando agregas demasiada azúcar? Llega un punto en el que ya no puedes disolver más, a esto se le llama saturación. Sucede que al aire le puede ocurrir lo mismo con el agua, solo que cuando este sobrepase su punto de saturación, se empezaran a formar gotitas de agua. 

El camino hacia las nubes

Preparemos nuestro viaje

Imaginemos que queremos crear una nube. Nosotros necesitamos ciertos ingredientes para formar, los cuales son: vapor de agua, núcleos de condensación y ciertas condiciones físicas del entorno. Veámoslo como cocinar un pastel, necesitamos huevo, harina y leche para poder crearlo. Sin embargo, no podemos solo juntar el huevo, la harina y la leche y esperar que salga un pastel, antes debemos batirlo y hornearlo. El aire húmedo debe pasar a través de varios cambios físicos y termodinámicos antes de convertirse en una nube, desde que surge de la superficie hasta llegar al cielo. 

Las nubes nunca fallan en darnos vistas impresionantes, ¿no lo crees?

Comienza el camino

¿Cuál es este camino? Bueno, eso depende de qué tipo de nube estemos hablando, de la orografía y otros factores que afectan su formación, pero esta vez mencionaremos la forma más general en la que esto ocurre. Primeramente, debemos contar con alguna fuente de humedad en la superficie, ya sea un cuerpo de agua como el mar, un lago, un río, etc.; o puede ser alguna otra fuente de humedad como lo es la evapotranspiración de las plantas (por ejemplo, en un bosque o selva). Luego, necesitamos que, en el caso de que se trate de un cuerpo de agua, la temperatura en superficie sea suficiente para producir un cambio de fase y evaporar el agua. Este vapor de agua quedará disuelto en el aire superficial, como se mencionó anteriormente. 

Los lugares templados, cercanos a lagos y con mucha vegetación suelen tener también bastantes nubes

El elevador

Luego, es indispensable que exista un fenómeno conocido como convección. Este es un proceso termodinámico el cuál refiere a un desplazamiento vertical de una masa de aire cuando esta se calienta, debido a que al calentarse el aire aumenta su volumen y se expande, y al hacerlo existe una menor cantidad de partículas por unidad de área (es decir, la misma masa se debe repartir en un volumen mayor). Por ende, si recordamos la fórmula de la densidad ρ = m V, notaremos que la densidad disminuirá. Si recordamos el principio de Arquímedes o principio de flotabilidad, todo cuerpo sumergido experimentará una fuerza ascendente o de flotabilidad ejercida por el fluido que lo desplaza (siendo este último el que posee la mayor densidad, y el desplazado el que posee la menor densidad). Ya que esta sección del aire, la cuál llamaremos “parcela”, se volvió menos densa con respecto a las parcelas de aire vecinas al calentarse, será desplazada hacia arriba por el aire más frío y denso, que ocupará su lugar por debajo. Esto genera el movimiento ascendente que se conoce como convección.

Observa como la formación de la nube sigue la trayectoria de la convección

¿Agua en el aire?

Al subir, el aire desplazado llevará consigo la humedad que absorbió previamente en superficie. Aquí debemos repasar otro concepto de gran importancia: la humedad relativa. Esta se representa como un porcentaje, y es la relación de vapor de agua presente en el aire con respecto a la máxima cantidad de vapor de agua que este puede contener antes de saturarse. Volvamos un momento al ejemplo del agua de limón. Supongamos que tenemos un litro de agua, y este puede contener hasta 300 gramos de azúcar antes de saturarse (punto en el cuál ya no se disolverá más). Si hemos agregado solamente la mitad (150 gr), entonces nuestra “humedad relativa” sería la relación 150gr/300gr = 50%. 

Ahora bien, la humedad relativa depende de la temperatura también. Esto debido a que a mayor temperatura, el fluido puede disolver aún más soluto. Es decir, si nosotros hervimos nuestra agua de limón, esta ya no soportará 300 gr, sino puede que suba hasta 500gr, por lo que 150/500 = 30%. Esto es importante ya que recordemos que la temperatura en la atmósfera disminuye inversamente con respecto a la altura, y esto cambiará el lugar exacto donde se alcanza ese 100% de humedad relativa. Por cierto, sabías que es justamente la humedad relativa lo que le da bases planas a las nubes? Es justo en esa base donde se llega al 100% de humedad relativa, por eso abajo no se ve nube, pero no significa que no haya humedad. 

¿Qué humedad relativa crees que haya en este lugar?

Nubes bajo presión

Adicionalmente, aquí influye otro factor: la presión. Así como la temperatura, la presión también disminuye inversamente con la altura (es decir, a mayor altura menor presión). Esta menor presión implica que la parcela de aire caliente  que está ascendiendo puede expandirse cada vez más ya que está menos contenida, por así decirlo. Alguna vez has visto como una botella vacía se comprime o se infla dependiendo de si cambias de un lugar más alto a un lugar más bajo? Esto es porque la presión de aire dentro de la botella siempre está oponiéndose a la presión atmosférica (ambas empujan en todas direcciones, la de la botella expandiéndose, y la atmosférica comprimiendola). Podemos considerar a la botella como a nuestra parcela de aire caliente, y ya que la presión atmosférica al subir es cada vez más débil, esta puede expandirse más fácilmente. Pero no lo hará eternamente, ya que el expandirse le representa un gasto de su energía interna, es decir, convierte su energía interna en trabajo para poderse expandir. Cabe destacar que al analizar el proceso de ascensión de una parcela, consideramos que sus cambios son adiabáticos, es decir, que nuestra parcela es un sistema que no intercambia calor con su entorno, por lo que no recupera la energía o la pierde por el contacto con las parcelas vecinas.

Este gasto de energía provoca que la parcela se enfríe, hasta que llega el punto en el que su densidad se iguala a la de las parcelas vecinas y, por lo tanto, ya no existe una diferencia de densidades y por lo tanto una fuerza de flotabilidad que la empuje hacia arriba. 

Además, ya que se enfría al subir, cada vez se acerca más a la saturación, o sea el 100% de la humedad relativa. Entonces, la convección es lo que determina el tope de la nube, y la humedad relativa es lo que determina la base.

Recuerda, a mayor altura, menor es la presión

Estudiando los cimientos de una nube

Por último, es de suma importancia mencionar un último factor indispensable para la formación de las nubes: los núcleos de condensación. Si recuerdas, estos son uno de los ingredientes principales para formar una nube. ¿Pero qué son? Pues estos son pequeñísimas partículas (con un diámetro inferior a 0.1 micrómetros) que tienen la particularidad de ser higroscópicas (o sea que absorben muy bien el agua). La presencia de estas partículas facilita en gran medida la condensación del vapor en gotitas de agua (a lo cuál se le llama nucleación, que es el que átomos o moléculas se unen para formar una estructura desde cero). Recordemos un momento el significado de entropía. La entropía es la medida del “desorden”, por así decirlo, que existe en un sistema (en este caso, nuestra parcela). Recordemos también que el universo siempre tiende a la entropía, por lo que reducir la entropía del sistema es difícil, y la nucleación representa una disminución en la entropía. Por lo tanto, aunque tengamos una humedad relativa del 100%, la condensación será muy difícil a menos que contemos con los núcleos de condensación, los cuáles absorberán el vapor de agua, generando una superficie sobre la cual el agua puede condensar más fácilmente. !Y voila, ya tenemos una nube!

 ¿Sabías que las arena del desierto del Sahara viaja desde el océano África sobre el océano Atlántico hasta el Amazonas?

Existen muchas más cosas que conocer sobre las nubes. Te has preguntado ¿Porqué las nubes son blancas y las nubes de tormenta grises? ¿Cómo se forman los rayos? ¿Las nubes tienen hielo también? ¿De qué depende que caiga lluvia, nieve, aguanieve y otras formas de precipitación? ¿Cómo surge la neblina? ¿Qué es la lluvia ácida?

Las nubes son increíbles, y hay miles de cosas que aún tienen por enseñarnos. ¿Quieres saber más sobre esos algodones gigantes flotando sobre tu cabeza? No te olvides de seguirnos en nuestras redes sociales, y no te pierdas los próximos artículos de nuestro blog! ¡Hasta la próxima, exploradores del cielo!

Referencias

• Liou, K. N. (2002). An Introduction to Atmospheric Radiation (2nd ed.). Academic Press.