Taller Virtual de Meteorología y Clima.
Convección
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La convección es un mecanismo físico por el cual se transporta calor, momento lineal, humedad, etc., mediante el movimiento de la masa que compone un determinado fluido (agua o aire). Este tipo de transporte se produce en líquidos y gases debido a su capacidad de desplazarse libremente y de establecer en su seno corrientes que denominamos convectivas.
La convección surge de manera natural en la atmósfera. En un día cálido y soleado, el sol calienta la superficie de la Tierra. Este calor se transmite a la capa de aire inmediatamente adyacente a la superficie mediante difusión molecular (conducción) y turbulenta, así como mediante radiación. Asumiendo que el sol calienta una determinada porción de suelo (esto ocurre en la realidad porque las distintas superficies se calientan de forma desigual dependiendo de su capacidad calorífica, emisividad, etc.; un claro ejemplo es como la arena de la playa se calienta más que las maderas que ponen para que andemos descalzos y no nos quememos los pies), este calor se transmite al aire en contacto con la superficie por los mecanismos descritos anteriormente, provocando que se expanda y disminuya su densidad. Este proceso está regido por la Ley de los Gases Ideales, que describe la relación entre la presión, el volumen, la temperatura y la cantidad (en moles) de un gas ideal de manera que PV = nRT (1), donde:
- P = presión absoluta (medida en atmósferas)
- V = volumen (expresado en litros)
- n = moles de gas
- R = constante universal de los gases ideales ( 0.082 atm L / mol K)
- T = temperatura absoluta
Atendiendo a la ecuación anterior, si la temperatura aumenta en una parcela de aire que se encuentra en un determinado nivel de presión, manteniendo esta presión constante, su volumen aumenta, disminuyendo de esta forma su densidad (densidad = masa/volumen). El aire contenido en la parcela, más caliente, menos denso y con más volumen que el aire de sus alrededores, tenderá a ascender por flotabilidad, de la misma manera que un globo de feria lleno de helio asciende en la atmósfera (el helio es un gas con menos densidad que el aire). El hecho de que una masa de aire se desplace en la vertical por flotabilidad, se debe a que su densidad es menor que la del aire circundante (movimiento ascendente) o mayor (movimiento descendente). Entendemos por convección el transporte de calor mediante las masas ascendentes y descendentes del fluido considerado (aire o agua). De este modo, al calentar agua en un recipiente (ver video), el volumen en contacto con la fuente de calor en la base del recipiente, experimenta un movimiento ascendente que hace que poco a poco se vaya enfriando conforme asciende, para que una vez en la superficie (límite agua-aire), descienda ocupando el lugar que ha dejado la masa de agua caliente. Podemos hablar así de la llamada célula convectiva como una disposición dinámica de un fluido en respuesta a una diferencia de temperatura que provoca un movimiento de convección.
En meteorología, este mecanismo de intercambio de calor se denomina "convección atmosférica", y las parcelas de aire ascendentes reciben el nombre de "corrientes térmicas" o simplemente "térmicas" (thermals en inglés). Las térmicas son aprovechadas por muchas aves rapaces de gran tamaño para planear (Figura 1) y conseguir elevarse (durante la noche las corrientes térmicas prácticamente desaparecen y estas aves no pueden volar). Es también la razón por la cual las aves tienden a cruzar de un continente a otro por el paso en el que menos trayecto de mar exista. El mar se calienta menos que la tierra, de modo que las térmicas disminuyen considerablemente su intensidad. Es lo que ocurre por ejemplo en el Estrecho de Gibraltar. Las aves, al cruzar en invierno al Sur y en verano al Norte en busca de temperaturas óptimas y alimento, cruzan por este estrecho porque es la zona con menos trayecto de mar existente entre Europa y África. Se elevan a un lado del Estrecho y ascienden gracias a las térmicas, emprenden su camino cruzando el mar y cuando alcanzan costa de nuevo, normalmente se encuentran a una menor altura, incluso muchas veces alcanzan tierra "rozando el agua". Sin la existencia de las térmicas, estas aves no podrían emprender el vuelo.
En base a los mecanismos descritos anteriormente se explican algunos fenómenos que tienen lugar en la atmósfera relacionados con la convección:
CÉLULA DE HADLEY: El principal mecanismo de calentamiento de la Tierra es la radiación solar. Los rayos del sol no inciden de manera uniforme en todos los lugares del planeta, de forma que existe un calentamiento desigual. Según esta condición, el calentamiento en regiones ecuatoriales es mayor que en latitudes altas debido a una mayor perpendicularidad de los rayos del sol respecto a la superficie. En estas zonas, el suelo se calienta más y consecuentemente el aire próximo a la superficie experimenta un aumento de su temperatura, disminuyendo su densidad y tendiendo a ascender. Al ascender se encuentra con una disminución de la presión atmosférica y se va enfriando, de modo que continúa ascendiendo hasta llegar a un límite (tropopausa). Dicho límite se encuentra aproximadamente a unos 11km y separa dos zonas de la atmósfera, de manera que por encima de él existe una inversión térmica que actúa como “tapadera” para los movimientos verticales. De este modo, la masa de aire ascendente tiende a desplazarse hacia los lados (hacia el Norte en el Hemisferio Norte y hacia el Sur en el Hemisferio Sur). En este desplazamiento hacia latitudes más altas el aire sigue disminuyendo su temperatura, llegando el momento en que debido a su enfriamiento y aumento de densidad comienza a descender. Este fenómeno tiene lugar aproximadamente a 30º de latitud Norte y Sur, provocando una predominancia de movimientos verticales descendentes, los cuales impiden la formación de nubosidad. Así se explica la presencia de los desiertos más importantes de la Tierra en estas latitudes. Cuando este aire llega al suelo, se desplaza a los lados, al Norte y al Sur. La rama que va hacia el sur llega de nuevo al Ecuador, donde vuelve a calentarse y asciende de nuevo, creando un ciclo continuo de transporte de calor llamado Célula de Hadley, considerada una célula convectiva a gran escala. La circulación atmosférica se cierra con la Célula de Ferrel y la Célula Polar, que junto con el movimiento de rotación de la Tierra generan los vientos dominantes que caracterizan dicha circulación.
FORMACIÓN DE NUBES CUMULIFORMES: Las nubes cumuliformes se forman por movimientos convectivos del aire. El sol calienta la superficie de la Tierra, provocando al mismo tiempo el calentamiento del aire adyacente haciendo que éste ascienda por convección. Atendiendo a la ecuación de los gases ideales (1), podemos expresar (dQ = CvdT + pdV) (2) o bien (dQ = CpdT - Vdp) (3) y considerando condiciones adiabáticas (dQ = 0) obtenemos dos ecuaciones análogas que muestran la relación existente entre variaciones de presión, volumen y temperatura en una burbuja o parcela de aire que se desplaza en la vertical. De este modo, en una parcela de aire ascendente tiene lugar una disminución de presión (aumento de volumen) que conlleva un enfriamiento.
Figura 2. Imagen de un cumulonimbus bien desarrollado (Meteoreportaje 2011 AME).
El aire contiene vapor de agua en distinta proporción según la masa de aire que se considere. La capacidad del aire para contener vapor de agua varía en función de la temperatura, de modo que cuanto más frio esté el aire, menos cantidad de vapor de agua podrá admitir. Cuando se alcanza el límite superior de vapor de agua que una masa de aire puede admitir, se llega a la condensación, formándose pequeñas gotitas de agua líquida. Pues bien, el aire que asciende tiene una determinada humedad relativa, y al ascender, va disminuyendo su temperatura y aumentando su humedad relativa hasta llegar al 100% (saturación). De esta forma, existe un determinado nivel en el que, debido a la temperatura a la que se encuentra, se produce la condensación de gotitas de agua y se empiezan a formar nubes. A este nivel se le conoce en inglés como Lifting Condensation Level (LCL). Como las corrientes térmicas siguen ascendiendo, estas gotitas de agua se siguen formando en la vertical y creciendo, de modo que se va constituyendo una nube hacia arriba (llamadas también nubes de desarrollo vertical). De esta forma se obtienen muchos tipos de nubes de aspecto cumuliforme, las más pequeñas y debidas a tiempo soleado son los "cúmulos de buen tiempo". Si las corrientes ascendentes son más fuertes y contienen más humedad, obtendremos "nubes cumuliformes en forma de torre", y si estas corrientes son más severas y llevan más humedad, se formarán los "cumulonimbos" (Figura 2), que no dejan de ser nubes con gran desarrollo vertical dentro de las cuales las corrientes ascendentes son bastante intensas, de manera que el vapor de agua se transforma en gotitas y estas gotitas en gotas de lluvia y en granizo (cuando los cristales de hielo capturan gotitas de agua congelándolas, en niveles en los que la temperatura es bastante inferior a los 0ºC). Estas nubes producen chubascos que en algunas ocasiones pueden ser tormentosos y de intensidad elevada y tienen la cima de color blanca y en forma de coliflor. Muchas veces, estas nubes llegan a la tropopausa y se impide su ascenso, de manera que se expanden en la horizontal, adquiriendo forma de yunque en su parte superior.
Convection is a physical phenomenon by which heat, momentum, moisture, etc. is transported due to the motion of the mass comprising a particular fluid (water or air). This type of transport occurs in liquids and gases due to its ability to freely move and sets the so-called convective currents.
Convection arises in a natural way in the atmosphere. On a warm and sunny day, the sun heats the surface of the Earth so that the air layer immediately adjacent to the surface is heated by molecular diffusion (conduction) and turbulence in addition to radiation. Assuming that the sun heats up a certain portion of soil (different surfaces are unequally heated depending on its heat capacity, emissivity, etc ; an example is how the sand of the beach is hotter than the woods on which we should walk for not burning our feet), the heat is transmitted to the air in contact with the surface by the previously described mechanisms, thus expanding and decreasing its density. This process is governed by the ideal gas law, which describes the relationship between pressure, volume, temperature and the amount (in moles) of an ideal gas so that PV = nRT (1), where:
- P = absolute pressure (measured in atmospheres)
- V = volume (expressed in liters)
- n = number of moles of a gas
- R = universal gas constant (0.082 atm l / mol K)
- T = absolute temperature (K)
From the equation above (1), if the temperature increases in a parcel of air located at a given pressure level, assuming constant pressure, its volume increases, thereby decreasing its density (density = mass / volume). The air contained in the air parcel, hotter, less dense and more volume than the air around, tend to rise by buoyancy in the same way that a helium balloon rises in the atmosphere (helium is a gas with less density than air). In this way, vertical buoyancy of an air mass is due to a lower density than the surrounding air (upward motions) or larger (downward motions). Thus, we consider as convection the heat transport by upstrem or downstrem fluid masses considered (air or water). In this way, when water is heated in a vessel (watch the video), the volume in contact with the heat source at the base of the vessel experiences an upward motion that causes cooling as it ascends, so that once on the upper surface (boundary water-air) it moves downward taking the place left by the hot water mass.
In the meteorological context, this heat exchange mechanism is called "atmospheric convection" and rising air parcels are called "thermals". Thermals are used by many raptors to fly without flapping wings (Figure 1) and get raised (overnight thermals practically disappear and raptors are not able to fly). This is also the reason why birds tend to cross from one continent to other using routes in which there is less sea journey. The sea is heated less than land, so that thermals considerably decrease their intensity. This is what happens for instance in the Strait of Gibraltar, where birds uses this route for crossing south in winter and north in summer searching for optimal temperatures and food, crossing this narrow because it is the area with less existing sea route between Europe and Africa. Birds rise to a side of the Strait through thermals, then cross the sea and when reaching the shore again they are usually located at a lower altitude, even “touching the water”. Without the existence of thermals, these birds could not take flight.
Figure 1. Group of storks on thermals rising wind farm in Tarifa (Cádiz) crossing the Strait of Gibraltar on their migratory journey to Africa
Some phenomena taking place in the atmosphere based on the mechanisms previously described are explained:
HADLEY CELL: The main mechanism of global warming is solar radiation. The sunlight do not evenly affect on all parts of the world, so that heating is not uniform. Heating in equatorial regions is greater than at high latitudes due to a greater perpendicularity of the radiation on the surface. In these areas, the ground is mostly warms up more and consequently the air near the surface increases its temperature, thus decreasing its density and tending to rise. While rising, a decrease in atmospheric pressure tends to cool the air mass, so that it continues the upward motion to the top of the troposphere (tropopause). This limit is located approximately at 11km high, above which there is a temperature inversion that acts as a “cover” for vertical motions. Thus, the rising air mass tends to move sideways (northward in the Northern Hemisphere and southward in the Southern Hemisphere). In this shift to higher latitudes, the air mass decreases its temperature, increases its density and finally falls. This phenomenon occurs at approximately 30 degrees north and south latitude, causing a predominance of downward vertical motions, which prevent the formation of clouds. Thus, we can explain the presence of the most important deserts at these latitudes. When colder and denser air reaches the ground, it moves sideways north and south. The branch displacing southward comes back to the Equator, where it is heated and rises again creating the so-called Hadley cell, a continuous cycle of heat transport considered a large-scale convective cell. The atmospheric circulation is closed with the Ferrell and the Polar cells, which together with the rotation of the Earth generate the prevailing winds characterizing such circulation.
CUMULUS CLOUD FORMATION: Cumulus clouds are formed by convective air motions. The sun warms the Earth's surface, causing at the same time heating of the air adjacent, and causing it to rise by convection. Considering the equation of ideal gases (1), we can express (dQ = CvdT + pdV) (2) or (dQ = CpdT - Vdp) (3) and considering adiabatic conditions (dQ = 0) we obtain two similar equations that show the relationship between variations in pressure, volume and temperature in a bubble or air parcel moving in the vertical. Thus, on a rising parcel, a decrease in pressure (volume) which carries a cooling takes place.
Figure 2. Picture of a well-developed cumulonimbus (Meteoreport 2011 AME).
The air contains water vapor in different proportions according to the air mass being considered. The capacity of air to hold water vapor varies with the temperature, so that the colder the air, the less amount of water vapor may admit. When the upper limit of water vapor that an air mass can support is reached, condensation is produced. The rising air has a certain relative humidity and ascending, it is decreasing its temperature and increasing relative humidity up to 100% (saturation). Thus, there is a certain level where, due to the temperature at which it is, condensation of water droplets occurs and clouds begin to form.
This level is known as Lifting Condensation Level (LCL). As thermals continue to rise, these water droplets are still forming in the vertical and growing, so it constitutes a cloud up (also called vertical development clouds). Thus, many types of clouds cumuliform are obtained, the smallest and due to sunny weather are called "fair-weather cumulus". If the updrafts are stronger and contain more moisture, we get " shaped-tower cumuliform clouds," and if these currents are even more severe and carry more moisture, "cumulonimbus" (Figure 2) will be formed, which are clouds with large vertical development within which updrafts are quite heavy, so that water vapor is transformed into droplets, and these droplets in raindrops and hail (when ice crystals capture droplets, freezing water at levels where the temperature is well below 0 ° C). These clouds produce rain that sometimes can be stormy and high intensity and have top white color and cauliflower form. Often, these clouds reach the tropopause and their rise is inhibited, so they expand in the horizontal, taking shape anvil top.
Créditos:
Roberto Suárez Moreno (roberto.suarez@fis.ucm.es)
Carlos Román Cascón (carlosromancascon@fis.ucm.es)
Carlos Yagüe Anguís (carlos@fis.ucm.es)
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