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Universidad Nacional de Salta Año: 2022 Facultad de Ciencias Naturales Asignaturas: Agroclimatología (I.A) y Climatología (I.R.N y M.A) GUÍA TEÓRICA PARA EL TRABAJO PRÁCTICO Nº 5 PRECIPITACIÓN La lluvia, la nieve, el aguanieve o el granizo hacen referencia a un mismo fenómeno denominado precipitación. La precipitación no sólo ocurre por el enfriamiento de una masa de aire debido a la pérdida de calor por irradiación de onda larga durante la noche, la formación de nubes con capacidad de producir precipitación requiere el enfriamiento de grandes masas de aire, las que tienen la posibilidad de enfriarse por expansión al ascender hasta alturas elevadas. Una importante ley en meteorología establece que el aire ascendente experimenta una disminución de temperatura, aun cuando no se pierda energía calorífica hacia el exterior. El descenso de temperatura es el resultado de una disminución de la presión atmosférica en altura, permitiendo al aire ascendente expandirse. Debido a que las moléculas del gas se hallan en forma difusa, y su movimiento no es rápido, la temperatura del gas en expansión disminuye. Se define así al proceso adiabático de enfriamiento del aire, es decir, un proceso que ocurre sin pérdida ni ganancia de calor, en el que no hay intercambio de calor con el medio. En el proceso adiabático, la expansión resulta en un enfriamiento y la compresión en un calentamiento de la masa de aire. El enfriamiento asociado al ascenso provoca el aumento de la humedad relativa, en algunos casos el aire alcanza el estado de saturación y el vapor de agua presente condensa. Para que las gotitas de agua y cristales de hielo que conforman las nubes puedan formarse, es necesaria la presencia de partículas sobre las que pueda producirse la condensación o sublimación. A estas partículas se las llama núcleos de condensación o sublimación, son diminutas partículas suspendidas a modo de polvo atmosférico con características higroscópicas, es decir que por su composición son susceptibles de atraer moléculas de vapor de agua. Son núcleos de condensación las partículas de polvo, humo, anhídrido sulfúrico, sales u otras sustancias presentes en la atmósfera. Los núcleos de sublimación son menos abundantes y su accionar se incrementa a medida que disminuye la temperatura. Los minerales arcillosos, algunas bacterias presentes en las hojas en descomposición y los mismos cristales de hielo son excelentes núcleos de sublimación. Así, por condensación del vapor de agua, se forman miles de gotitas diminutas que, por su escaso tamaño y peso se mantienen suspendidas en el aire. La nube es una masa densa de partículas de agua líquida o sólida, de un diámetro que oscila entre 20 y 50 micras. El agua, en cada diminuta partícula que constituye la nube, permanece en estado líquido muy por debajo de su punto de solidificación (0ºC), tal estado del agua se define como agua subenfriada. El aspecto de las nubes está determinado por la naturaleza, número y distribución en el espacio de las partículas que las constituyen y por la intensidad y color de la luz que reciben. Por convención, la parte de la atmósfera en la que se encuentran las nubes, ha sido dividida verticalmente en tres regiones, cuyos límites y espesor varían con la latitud. De acuerdo con la región en que se encuentren, las nubes se clasifican en altas, medias, bajas y de desarrollo vertical. Cada género de nubes (grupo de nubes con determinada forma característica) tiene una región geográfica en la que se presentan con mayor frecuencia. Clasificación Alturas características (km) Regiones polares Regiones templadas Regiones tropicales Altas 3 - 8 5 - 13 6 - 18 Medias 2 - 4 2 - 7 2 - 8 Bajas 0 - 2 0 - 2 0 - 2 Figura 1: Tipos de nubes. Nubes altas: Cirros: nubes aisladas de estructura fibrosa, formadas por cristales de hielo, en algunos casos dispuestas en bandas. Presentan formas variadas, como copos aislados, filamentos o hilos curvados que terminan en mechones o pinceladas. Cirrocúmulos: capa o manto compuesto de pequeños copos sin sombra, dispuestos en grupos o filas. km Cirrostratos: Velo blanquecino, que no borra los contornos del sol o de la luna y produce fenómenos de halo. Puede cubrir total o parcialmente el cielo. Este género de nubes frecuentemente precede a los frentes calientes, indicando la probabilidad de ocurrencia de lluvias uno o dos días después de su aparición. Este género puede estar asociado a la presencia de frentes fríos, cubriendo en este caso extensiones menores. La observación de la aparición, velocidad y dirección de desplazamiento de las nubes altas permite anticipar la ocurrencia de actividad frontal y tener información sobre la velocidad y dirección del viento en altura. Nubes medias: Altocúmulos: capa o banco de nubes blancas o grisáceas, compuestas principalmente por gotas de agua. Cada componente individual tienen forma redondeada, pudiendo tener aspecto fibroso, estos elementos individuales se ordenan en grupos, hileras o rollos Altostratos: capa o velo gris o azulado de textura fibrosa, compuesta por gotas de agua y cristales de hielo. Tiende a cubrir el cielo completamente y el sol o la luna se ven como a través de un vidrio esmerilado. A medida que los altostratos se hacen más bajos y densos, pueden ocultar por completo al sol o la luna. Con frecuencia preceden a precipitaciones que afectan grandes áreas. Nubes bajas: Nimbostratos: capa gris, generalmente oscura, la mayoría de las veces produce lluvia o nieve que llega a la superficie. La intensidad de esta precipitación es moderada o suave, nunca en forma de fuertes chaparrones. Estratocúmulos: capa o banco compuesto de elementos redondeados o rollos, bastante gruesos, grises con parte sombrías. Pueden cubrir todo el cielo, dándole una apariencia ondulada. Estratos: capa nubosa uniforme, análoga a una niebla. Cuando producen precipitación, lo hacen en forma de llovizna. Es frecuente la formación de estratos y estratocúmulos asociados a las inversiones térmicas. Nubes de desarrollo vertical: Cúmulos: nubes con la cima en forma de cúpula, con protuberancias redondeadas y base casi horizontal. Su color es blanco, aunque suelen presentar sombras grises en la base o en las zonas poco iluminadas por el sol. El grado de desarrollo vertical es variable. Cumulonimbos: nube de tormenta, la base de estas nubes, generalmente oscura, puede estar a no más de 300 m sobre el nivel del suelo, sin embargo por su gran desarrollo vertical pueden llegar hasta la tropopausa. Se presentan aislados o como parte de una línea o pared de nubes. La parte inferior de la nube está formada por gotitas de agua, en la parte media hay gotitas de agua y cristales de hielo mientras que la parte superior está formada íntegramente por cristales de hielo. En su interior puede haber también grandes gotas de lluvia, copos de nieve y granizo. La parte superior del cumulonimbos, de aspecto usualmente suave o fibroso y casi siempre achatado, se extiende en forma de yunque o extensa pluma. La base de estas nubes es muchas veces oscura, debajo de ellas suelen presentarse nubes desgarradas y precipitación en forma de virga (precipitación que no llega al suelo). Están asociadas a actividad eléctrica, pudiendo producir chaparrones de agua o nieve. Precipitación Para que pueda producirse la precipitación, las gotitas y cristales de hielo que conforman las nubes tienen que continuar su proceso de crecimiento hasta alcanzar un tamaño aproximadamente 100 veces mayor que el de una gotita de nube. Los procesos por los que más frecuentemente se produce el crecimiento de las gotitas de mayor tamaño que forman las nubes, hasta alcanzar el tamaño de una gota de lluvia, son los conocidos como: Colisión y coalescencia Este proceso de crecimiento de gotas es particularmente importante en las nubesmás calientes, cuya parte superior se encuentra a temperaturas mayores a los -15 ºC. La coalescencia es el mecanismo que da lugar a la precipitación en nubes tropicales e incluso en las latitudes medias. Las gotas de mayor tamaño, formadas sobre núcleos higroscópicos más grandes, caen a mayor velocidad que las más pequeñas. En su caída esas gotas de mayor tamaño colisionan con otras más pequeñas. En algunos casos, después de la colisión la gota más pequeña se une a la más grande, en un proceso denominado coalescencia. Este proceso se ve favorecido por el mayor tiempo de permanencia de las gotas dentro de la nube, de manera que las gotas alcanzan mayor tamaño dentro de las nubes cuyo espesor es mayor. Las gotas pequeñas pueden ser barridas hacia la estela que forman las mayores al caer y son así absorbidas. La turbulencia en la nube estimula los choques en la fase inicial. Figura 2: Teoría de Colisión y coalescencia Teoría de los Cristales de hielo (de Bergeron-Findeinsen) Este proceso es especialmente importante en las nubes frías, que se encuentran en regiones de la atmósfera donde la temperatura está por debajo de los -20 ºC aproximadamente. En la base de la nube donde la temperatura es superior a los 0 ºC, sólo puede haber gotas de agua líquida. En la región justo por encima de la isoterma de 0 ºC, también la mayoría de las partículas que conforman la nube son gotas de agua líquida subfundidas. Recién cuando la temperatura alcanza los -20 ºC, los cristales de hielo son más abundantes, aunque todavía hay gran número de gotas de agua líquida. 7000m 5000m 3000m 0 ºC 1000m Figura 3: Distribución de gotas de agua y cristales de hielo dentro de una nube de acuerdo con la temperatura a la que se encuentra el aire. Basado en Ahrens, 1994. Cuando la temperatura es menor a los aproximadamente -40 ºC, se produce el congelamiento espontáneo de las gotitas de agua líquida y, por lo tanto, hay solamente cristales de hielo. Para que se produzca el congelamiento espontáneo, las moléculas de la gota de agua tienen que formar un embrión de hielo, este embrión aumenta gradualmente su tamaño y actúa como núcleo. Los cristales de hielo también pueden formarse en presencia de núcleos de sublimación. El número de núcleos de hielo presentes en la atmósfera es escaso, especialmente a temperaturas superiores a los -10 ºC; a medida que desciende la temperatura, es mayor el número de partículas que comienzan a actuar como núcleos de hielo efectivos. Los denominados núcleos de sublimación permiten que el vapor de agua se deposite sobre su superficie en forma de hielo, sin pasar por la fase líquida. "En las nubes mixtas (compuestas por gotas de agua y cristales de hielo), los cristales de hielo crecen a expensas de las gotitas de agua. Esto es debido a que la presión de saturación del vapor respecto del hielo es menor que respecto del agua. Entonces, para contenidos de humedad menores a los correspondientes a la saturación respecto del agua, las gotitas se evaporan y subliman sobre los cristales de hielo". Hielo solamente (-40 ºC) Mezcla de hielo y agua (-20 ºC) Agua líquida solamente Cuando los cristales de hielo alcanzan el tamaño suficiente como para vencer a las corrientes ascendentes, comienzan a caer. En su caída, pueden colisionar con gotas subfundidas que se congelan por contacto y se unen al cristal de hielo contribuyendo a aumentar su tamaño. Estas agrupaciones de cristales pueden romperse por colisión con gotas subfundidas, dando lugar a la formación de un gran número de cristales más pequeños que producen el congelamiento de nuevas gotas, originándose así un efecto multiplicador. Si estas formaciones de hielo alcanzan un tamaño suficiente, puede ocasionarse precipitación en forma de granizo. La unión por colisión de varios cristales de hielo se denomina agregación y puede dar lugar a la formación de copos de nieve. Si los copos de nieve se funden en su caída, continúan su descenso como lluvia. Características generales de la precipitación: Discontinuidad: algunas variables meteorológicas son continuas (tanto en el espacio como en el tiempo) ya que no pasan bruscamente de un valor a otro sin recorrer los estados intermedios, por ejemplo la temperatura y humedad relativa. La precipitación se comporta de manera diferente ya que, "llueve" o "no llueve". La precipitación es una variable discreta que, a diferencia de las variables continuas, no adquiere los valores intermedios entre dos mediciones. Por este motivo, las tablas climatológicas incluyen frecuencia de días (número de días en un periodo dado) con precipitación. Intensidad: es la cantidad de agua caída en un determinado periodo de tiempo. El conocimiento de la intensidad de la precipitación es fundamental para saber el efecto que la misma tiene sobre el suelo y la vegetación (especialmente el efecto erosivo). Las lluvias de baja intensidad permiten que un mayor porcentaje de agua se infiltre en el suelo y sean menores las pérdidas por escurrimiento. Distribución anual: además del total anual promedio de precipitación, su distribución estacional es de gran importancia en la caracterización del clima de un lugar. Por otra parte la marcha anual (distribución a lo largo del año) de la precipitación tiene que ser analizada en conjunto con las marchas de otras variables atmosféricas, como temperatura, viento, evapotranspiración que contribuyen a la mayor o menor efectividad de la precipitación para aumentar el contenido de humedad del suelo disponible para las plantas. Así, la misma cantidad de precipitación puede dar origen a zonas desérticas o estepas en bajas latitudes, donde la temperatura y evaporación son altas, mientras que en climas fríos puede permitir la presencia de bosques. Tipos de precipitación: Según el proceso que da origen al ascenso del aire (tipos genéticos) Convectivas: el ascenso de aire se produce por convección, el aire en contacto con el suelo se calienta y al volverse más liviano, asciende. Orográficas: el aire asciende al verse obligado a subir la ladera de una montaña. Frontales: el ascenso de aire se produce en la zona de contacto entre dos masas de aire (frente). En el frente el aire caliente se ve obligado a ascender al deslizarse el aire frío, más denso, como una cuña entre el suelo y la masa de aire (frente frío) o verse obligado el aire caliente a deslizarse lentamente hacia arriba de una masa de aire frío estacionado en el suelo (frente caliente). Por convergencia horizontal: se produce un ascenso generalizado al ocurrir movimientos convergentes de aire, es un proceso importante en regiones ecuatoriales. Figura 4: Tipos genéticos de precipitación. Lograda la ascensión, el aire ingresa a regiones con menor presión atmosférica expandiéndose y enfriándose. Si el enfriamiento es suficiente se llegará a un nivel altitudinal en el que se alcanza la saturación y posterior condensación. Dicho nivel de condensación constituye la base del sistema nuboso en formación. Por la forma en que se produce la precipitación Lluvia: constituida por gotas de agua líquida, las que tienen un diámetro mayor o igual a 0,5 mm. Llovizna: gotas de un diámetro menor a 0,5 mm y muy abundantes. Las gotas de llovizna generalmente provienen de nubes estratiformes y son tan pequeñas que parecen quedar suspendidas en el aire. La llovizna puede producirse por reducción del tamaño de las gotas de lluvia por efecto de la evaporación. Chaparrones: son lluvias de gran intensidad y corta duración producidas por nubes cumuliformes. Granizo: precipitación en forma de trozos de hielo de diámetro entre 5 y 50 mm, producida por cumulonimbos. Lluvia helada: se produce cuando gotas de agua subfundida que llega a la superficie entran en contacto con objetos fríos y secongelan, formando una cubierta de hielo. Nieve: es precipitación de agua en estado sólido, los copos de nieve están formados por cristales de diversas formas. Nieve granulada: es el equivalente sólido de la llovizna, tiene lugar cuando granos de nieve pequeños y opacos precipitan de una nube perteneciente al género "estrato". Análisis individual de una lluvia: El análisis individual de un evento de lluvia conduce a la determinación de los valores de cantidad, intensidad y duración que presenta. Cantidad: la cantidad de agua caída durante una lluvia puede expresarse en lámina o en volumen. Resulta práctico expresar la lluvia en lámina, porque así no hay necesidad de referirla a un área determinada. Lámina de lluvia es el espesor que alcanza el agua caída, si no se evapora, ni escurre sobre el terreno ni se infiltra en él. La relación de lámina a volumen/hectárea es de 1:10; es decir, una precipitación de 1 mm equivale por hectárea a un volumen de 10 m 3 . 10.000 m 2 / ha x 0,001 m = 10 m 3 / ha Duración: está dada por el lapso de tiempo transcurrido entre el inicio y el fin de una lluvia, se expresa por lo general en minutos. Intensidad: su valor medio resulta de la relación entre la altura de lluvia caída (cantidad) y el tiempo transcurrido entre el inicio y fin de una lluvia (duración), que se supone uniforme. La intensidad generalmente se expresa en milímetros por hora. La intensidad no es uniforme en el tiempo y el espacio. Si al tiempo que dura una lluvia lo dividimos en subperiodos iguales, las láminas que se acumulan en ellos resultarán seguramente diferentes. Si sobre un terreno (en el que llueve) consideramos varios puntos, lo más probable es que cada uno de ellos registre láminas parciales y totales distintas. En general, las lluvias con gran intensidad cubren áreas reducidas y son de corta duración; en cambio, las de baja intensidad cubren grandes áreas y son de larga duración. Análisis estadístico de los datos de lluvia: El conjunto de las lluvias diarias, mensuales, anuales, etc. de una estación, forman en cada caso una serie de datos. A fin de caracterizar las precipitaciones de un lugar se utilizan medidas estadísticas descriptivas. Medidas de posición o de tendencia central: determinan la posición del valor medio de una serie de mediciones. Este "valor tipo" representa el orden de magnitud del conjunto de las observaciones y permite una somera comparación entre dos series análogas. Los principales parámetros estadísticos de posición central son: Media: es la suma de las precipitaciones de un periodo considerado dividida por el número de observaciones (promedio o media aritmética) Mediana: corresponde a un valor de precipitación tal que divide a la serie ordenada de menor a mayor en dos partes con igual número de datos. Permite arriesgar una probabilidad directa de ocurrencia tal que, en el 50 % de los años considerados se han registrado lluvias superiores al valor de la mediana y en el 50 % restante, inferiores. Moda: valor de precipitación que más se repite en la serie. Valores extremos: son los valores máximo y mínimo de una serie. Mínimo: es el valor más bajo de la serie considerada. Máximo: es el valor más alto de la serie. Medidas de Dispersión: representan la fluctuación, diseminación o dispersión de los valores individuales en torno al valor medio. Esta característica es fundamental en agricultura y ganadería de secano, especialmente en regiones semiáridas. Los parámetros estadísticos más usados para representar dispersión son: Intervalo de variación: la diferencia entre los módulos pluviométricos del año más húmedo y el año más seco (rango) Desviación estándar: se define como la raíz cuadrada del promedio de los cuadrados de las diferencias entre los módulos anuales, mensuales o diarios y el valor central. Al ser su estimador el resultado de una raíz cuadrada, adquiere dos valores, uno positivo y otro negativo que se restan o suman a la media. En una distribución normal, estos límites definen el intervalo en que se concentra el 68 % de los datos. Varianza: corresponde al cálculo de la desviación estándar elevado al cuadrado. Coeficiente de variación: relación expresada en porcentaje entre la desviación estándar y la media aritmética. Su valor permite comparar la variabilidad entre grupos de datos. Valores bajos de coeficiente de variación indican una mayor concentración de las lluvias alrededor de la media. Quintiles: la serie ordenada es dividida en cinco partes, llamando quintiles a los estimadores de los límites de cada una de ellas. El método de cálculo adoptado se basa en la distribución de Weilbull. Permiten la formulación de probabilidades directas de ocurrencia. Posición en la serie = Probabilidad x (N+1) 100 donde: N: número de años que conforman la serie Quintil 20 %: este estimador corresponde a un valor tal que el 20 % de los datos de la serie ordenada son inferiores al mismo. En el análisis de un caso particular, si éste se halla entre el mínimo y el valor de este quintil, puede decirse que el mes, periodo o año fue muy seco. Quintil 40 %: el valor estimado deja el 40 % de los datos de la serie ordenada por debajo de él. En el caso de registrarse un valor entre el quintil 20 % y el de 40 %, puede decirse que el mes, periodo o año fue seco. Quintil 60 %: En el caso de registrarse un valor entre el quintil 40 % y el 60 %, puede decirse que en el mes, periodo o año fue las lluvias fueron normales. Quintil 80 %: el valor estimado deja el 80 % de los datos de la serie ordenada por debajo de él. En el caso de registrarse un valor entre el quintil 60 % y el 80 %, indicaría que el mes, periodo o año fue húmedo. En el caso de un valor que se ubique entre el quintil 80 % y el valor máximo de la serie, se dice que el mes, periodo o año fue muy húmedo. Si la serie considerada es suficientemente larga es de esperar que un valor superior al máximo o inferior al mínimo sea de ocurrencia poco probable, pero de ocurrir, se estaría ante periodos extremadamente húmedos o extremadamente secos respectivamente. Frecuencia: es el número de eventos que ocurren en un intervalo de tiempo. Por ejemplo: Número de días con precipitaciones por año. Características de forma: simetría y aplastamiento (kurtosis) de la curva de frecuencia de observaciones. Caracterización climática de la precipitación: La precipitación es un proceso muy importante ya que, el agua junto con la temperatura constituyen dos elementos meteorológicos vitales. Caracterizar climáticamente la precipitación implica describir la forma en que se producen las precipitaciones en un lugar determinado a través de: Tipo de precipitación Intensidad Duración Distribución estacional de las precipitaciones o Régimen hídrico: La aptitud agrícola y ganadera de una región no sólo depende de la cantidad anual de precipitaciones sino también de la distribución de las mismas a lo largo del año. El régimen de precipitaciones se puede definir como: Tipo Monzónico: cuando las precipitaciones presentan mayor concentración parcial o total en el semestre cálido (de Octubre a Marzo). Se lo puede diferenciar cuando el porcentaje de precipitación media del semestre cálido es mayor o igual al 60 % de la precipitación media anual (100%). En nuestro país, este régimen se encuentra al norte del Río Colorado, especialmente en la región del Noroeste Argentino. Tipo Mediterráneo: cuando las precipitaciones presentan mayor concentración parcial o total en el semestre frío. Se lo puede diferenciar cuando el porcentaje de precipitación media del semestre frío es mayor o igual al 60 % de la precipitación media anual (100%). En nuestro país se lo observa preferentemente en la región cordillerana norte de la Patagonia. Tipo Isohigro: cuando las precipitaciones ocurren todo el año yse distribuyen uniformemente a lo largo del año. En nuestro país se presenta en algunos sectores de las provincias del litoral fluvial y marítimo. El uso de índices climáticos, que se pueden obtener de las estadísticas pluviométricas, permite precisar la caracterización. Entre los más importantes se pueden citar: Precipitación media mensual: promedio de una serie de precipitaciones mensuales. Precipitación media anual: promedio de una serie de precipitaciones anuales. Valores extremos de precipitación Quintiles Número medio de días de lluvia: entendiendo por día de lluvia aquellos que acusen más de 1/2 décimo de mm (lluvia, nieve, granizo), debido a que en los registros la menor fracción de lluvia que se asienta es el décimo de mm, en la práctica 0,1 mm. En nuestro país, la localidad con menor número de días con lluvias es Cañada Honda (San Juan) con sólo 9 días de lluvia al año y la que presenta el mayor número de días de lluvia es Bariloche con 101 días.
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