Un cuento sobre las gotas de nube

Inspiración de artistas, enamorados y víctimas de la pareidolia -esa tendencia que tenemos a ver figuras conocidas donde no las hay-, las nubes son de gran importancia para el sistema climático, pues colaboran con el efecto invernadero que hace habitable el planeta, son parte fundamental del ciclo del agua, entre algunas otras maravillas. Pueden estar formadas por pequeñísimas gotas de agua líquida o microscópicos cristales de hielo, que al crecer caen en forma de lluvia.

La vida de las gotitas de lluvia no es nada fácil. Esta es la historia de aquellas porciones de vapor de agua que quieren ser gotas de lluvia…

… pero primero deben convertirse en gotas de nube.

Parte 1: It’s a long way to the top

Todo comienza cuando las gotitas viven en estado de vapor (se acuerdan que ya hablamos de esto?). El primer paso para que este vapor se convierta en gotas es agruparse, ya que la unión hace la fuerza. Pero no es suficiente. Se necesita entrar en un estado que llamaremos saturación, en el cual la cantidad de agua líquida que se evapora es la misma que la de vapor que se condensa.

A ver… hagamos un pequeño repaso. Condensación es el paso (cambio de fase) de estado gaseoso a líquido. Evaporación es el paso de estado líquido a gaseoso… Ahora sí, sigamos.

¿Recuerdan haber oído hablar de la humedad relativa en los informes del tiempo? Cuando la humedad relativa llega al 100%, significa que en ese momento existe el equilibrio llamado saturación.

¿Pero cómo y cuándo el vapor logra alcanzar la ansiada saturación? Un posible truco es el enfriamiento…

Todos a enfriarse

Un buen consejo para enfriarse es subir -la atmósfera es más fría a medida que se asciende en ella-. Para subir, el vapor puede usar la energía del Sol, y emular al vapor de la tetera. Esto funciona de maravilla para el vapor que vive en zonas tropicales, donde la energía que llega del Sol es mayor. O bien, puede usar apoyos para subir, como los cerros. El vapor que pasa por Chile usa la cordillera de Los Andes para subir y enfriarse.

El problema es que el vapor de agua es medio acelerado y no se da cuenta de que alcanzó la saturación. Es como que nadie le avisara “oye, ya puedes cambiar de fase” y sigue subiendo y enfriándose por unos instantes, entonces se sobre-satura.

Lo que pasa es que se necesita “vencer” a la evaporación. Es necesario que exista mucha más condensación que evaporación en el sistema: ¡no queremos que las incipientes gotitas de agua se evaporen al momento de formarse!

Y casi como una película de terror, aparece otro enemigo: la tensión superficial del agua. Esa fuerza de tensión que tiene el agua, que provoca que duela un guatazo en una piscina, que permita que algunos insectos caminen sobre el agua, esa fuerza de unión de las moléculas de agua, esta vez conspira contra las mini mini mini gotas en formación.

La solución a este nuevo obstáculo también es tener sobresaturación. Mucha. El problema es que en la naturaleza la sobresaturación no crece en los árboles, y es difícil alcanzar los valores necesarios para vencer a la evaporación y la tensión superficial del agua. Se necesitan sobresaturaciones del 10 ó 12% para esto, es decir, una humedad relativa del 112% (alguien ha visto algo así?). Un gran problema para el pobre vapor de agua. Un problema que no podrá solucionar solo.

La caballería al rescate

Cuando todo parece perdido, aparece la caballería de aerosoles al rescate, como en una épica de Tolkien. Todas esas partículas en suspensión, esas miguitas de pan que surcan los cielos, todos esas imperceptibles motitas de polvo, le dan una mano al vapor de agua y lo ayudan a condensarse. Son los aerosoles los que rompen la tensión superficial del agua, ayudando a que las gotitas no necesiten sobresaturaciones muy grandes (les basta con un 0.1 a 0.5%, ¡nada!). Este crecimiento en conjunto de las gotitas con aerosoles se denomina nucleación heterogénea y es el principal mecanismo de formación de gotitas de nube en la naturaleza (*1).

Tuvimos un final feliz. El vapor de agua logró convertirse en gotitas de agua líquida y formar una nube. Y no se preocupen por la flotabilidad, porque estas gotitas son tan, pero tan pequeñas, que las siempre existentes corrientes de aire ascendentes las mantienen ahí arriba, donde las podemos ver y admirar. Y no es necesario que lancemos indiscriminadamente aerosoles y gases a la atmósfera. ¡No!, la naturaleza hace ese trabajo desde mucho antes que existiéramos, y lo hace muy bien de forma natural. Más que suficiente.

Parte 2: Todo lo que sube…

Dentro de una nube promedio, de ésas que se ven por las tardes sobre nuestras cabezas, una nubecita común y corriente, conviven cientos de miles de gotas de nube. Son tan pequeñas, que una gota de lluvia común, de esas que podemos sentir en nuestras caras (ni siquiera un clásico goterón de esos que duelen), es 100 veces más grande que una gota de nube.

En principio todas estas gotitas de nube son más o menos homogéneas, muy parecidas unas con otras. Pero como en todo grupo, una que otra quiere sobresalir. Así nace la discriminación entre gotas y aparecen las colectoras y las colectadas.

Todas quieren ser una Colectora

La diferencia entre ellas es el tamaño. Sí, la ley del más fuerte, que gobierna en muchos aspectos de la naturaleza, también impera en el reino de las gotitas de nube. La cosa es que cuando se están formando (con la ayuda de los aerosoles), algunas son formadas con más o mejores aerosoles, o, por azar, nacieron en un sector de la nube con mayor sobresaturación. Estos factores permiten que algunas gotas sean más gordas y grandes. Las colectoras.

Las colectadas no fueron tan afortunadas, son las plebeyas del mundo de las gotas. Y como veremos a continuación, a pesar de ser más abundantes que las colectoras, esto no alterará su trágico final.

Y es que los nombres de estas dos clases de gotas no están puestos al azar. Con una cierta cuota macabra, la nomenclatura viene dada por cuál de éstas se comerá a la otra para crecer más y así transformarse en una gota de lluvia. Las colectoras son gotas más grandes, pero aun así pequeñas, y el método que tienen las colectoras para crecer es ganar masa a costa de las colectadas.

Resulta que las colectoras al ser más grandes, también poseen mayor masa, y eventualmente comienzan a caer. En esa caída, chocan con otras gotas, primera condición para su crecimiento: colisión. Al momento de la colisión pueden suceder varias cosas, por ejemplo, el desprendimiento de masa de una de las gotas, la destrucción de ambas en múltiples gotitas más pequeñas, o que la colectora se quede con la masa de la colectada. Esta última posibilidad es la condición necesaria para el crecimiento de las gotas y se denomina coalescencia.

La combinación de procesos, colisión-coalescencia es el principal mecanismo para el crecimiento de gotas colectoras para transformarse en gotas de lluvia, y la inevitable muerte de las colectadas. Es un hermoso proceso, casi hipnótico de mirar, como un micro-baile de gotas (*2). La eficiencia de la colección estará dada por la aerodinámica de las gotas, la viscosidad, entre otros factores.

 

Y se hace la lluvia

En su caída, las colectoras ganan cada vez más masa y velocidad, hasta un límite llamado velocidad terminal, necesaria para vencer definitivamente a las corrientes de ascenso y lograr caer de la nube. En esa caída perderán parte de la masa por evaporación, desmembrándose poco a poco, pero las que sobrevivan a la dura experiencia serán consideradas gotas de lluvia y caerán sobre nosotros.

Mientras más recorrido dentro de la nube haga una gota colectora, mayor masa puede adquirir, por eso las lloviznas, con nubes delgadas, liberan gotas pequeñas, mientras que los chubascos, como en tormentas con nubes cumuliformes de gran desarrollo, producen gotas mucho más grandes.

El mundo de las gotas es rudo, lleno de transformaciones y luchas de poder, desde que son una pequeña porción de vapor de agua, pasando por gotas de nube, hasta que son gotas de lluvia y finalmente caen, pasando a ser agua en el piso o en nuestros pluviómetros.

Quizás después de este cuento sobre las gotas le tomes cariño a la lluvia, ya que su formación tiene todo un mundo microfísico por detrás, nada de fácil para ellas y tampoco para su estudio.

 

Escrito por: Diego Campos. Editado por: Juan Crespo, Ricardo Vásquez y José Vicencio. Figuras: José Vicencio.

 

Adicionales:

(*1) Experimento para hacer en casa: Una forma relativamente sencilla de probar la nucleación heterogénea en casa es mediante la formación de hielo. Consigan una botella pequeña de agua purificada sin gas y sin abrirla pónganla en el congelado. A lado de esa botella, pongan otra de igual tamaño con agua de la llave. Dejen ambas botellas en el congelador por unas 4 horas. Al término de ese tiempo, abran con cuidado el congelador y revisen ambas botellas. Lo que deberían observar es que la botella que tiene agua de la llave está completamente congelada mientras que la botella de agua purificada está todavía líquida. La primera se congeló por la acción de las pequeñas partículas que contiene el agua, mientras que la segunda se mantiene en forma de agua sobreenfriada. Si abren con cuidado la botella de agua sobreenfriada y la dejan caer, verán que al tocar las superficies esa agua se congela.

 

(*2) En el siguiente video es posible ver que no todas las gotas son colectadas, hay mucho de azar también.

http://www.youtube.com/watch?v=AYg4Y3mZ8cg

 

Nota: Este texto fue publicado originalmente en “Ondas de Blog”, blog dedicado a la divulgación de la física de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Chile.