La Convección

   La convección es una de las tres formas de transferencia de calor y se caracteriza porque ésta se produce a través del desplazamiento de materia entre regiones con diferentes temperaturas. La convección se produce únicamente en materiales fluidos. Éstos al calentarse disminuyen su densidad y ascienden al ser desplazados por las porciones a menor temperatura que, a su vez, descienden y se calientan repitiendo el ciclo. El resultado es el transporte de calor por medio de las parcelas de fluido ascendente y descendente.

   La transferencia de calor implica el transporte de calor en un volumen y la mezcla de elementos macroscópicos de porciones calientes y frías de un gas o un líquido. Se incluye también el intercambio de energía entre una superficie sólida y un fluido.

   En la transferencia de calor por convección forzada se provoca el flujo de un fluido sobre una superficie sólida por medio de una fuerza externa como lo es una Bomba, un ventilador u otro dispositivo mecánico.

   En la transferencia de calor por convección libre o natural en la cual un fluido es más caliente o más frío y en contacto con una superficie sólida, causa una circulación debido a las diferencias de densidades que resultan del gradiente de temperaturas en el fluido.

La Convección en Meteorología

    El proceso que origina la convección en el seno de la Atmósfera es sumamente importante y genera una serie de fenómenos fundamentales en la explicación de los vientos y en la formación de nubes, vaguadas, ciclones, anticiclones, precipitaciones, etc. Todos los procesos y mecanismos de convección del calor atmosférico obedecen a las leyes físicas de la Termodinámica. De estos procesos es fundamental el que explica el ciclo del agua en la Naturaleza o ciclo hidrológico. Casi todos los fenómenos antes nombrados, tienen que ver con este último mecanismo.

    En general, transporte de calor y humedad por el movimiento de un fluido. En Meteorología el término se usa específicamente para describir el transporte vertical de calor y humedad, especialmente por corrientes ascendentes y descendentes en una atmósfera inestable. Los términos convección y “tormentas” a menudo se usan indistintamente, aunque las tormentas solo son una forma de convección. Cbs, coliflores (towering cúmulos) y ACCAS, son formas visibles de convección. De cualquier modo, la convección no siempre es visible en forma de nubes. La convección que ocurre sin la formación de nubes se llama convección seca, mientras que los procesos de convección visible arriba referidos son formas de convección húmeda.

                                                                                                                        Fotografía  ©Javier Romero Díaz

El ciclo Hidrológico

    Se denomina ciclo hidrológico al recorrido del agua en la Atmósfera por la capacidad que tiene el agua de absorber calor y cederlo gracias a la capacidad que tiene de transformarse de un estado físico a otro. A grandes rasgos, el ciclo hidrológico funciona de la siguiente manera: los rayos solares calientan las aguas marinas y terrestres las cuales, al absorber ese calor, pasan del estado líquido al gaseoso en forma de vapor de agua. Este vapor asciende hasta cierta altura y al hacerlo, pierde calor, se condensa y forma las nubes, las cuales están constituidas por gotas de agua muy pequeñas que se mantienen en suspensión a determinada altura. Cuando esta condensación se acelera, por el propio ascenso de la masa de nubes (convección), se forman nubes de mayor desarrollo vertical, con lo que las gotas aumentan de tamaño y forman las precipitaciones, que pueden ser tanto sólidas (nieve, granizo) como acuosas (lluvia). Estas precipitaciones pueden caer tanto en el mar como en las tierras emergidas. Por último, parte del agua que se precipita en los continentes e islas pasa de nuevo a la atmósfera por evaporación o produce corrientes fluviales que llevan de nuevo gran parte de las aguas terrestres a los mares y océanos, con lo que se cierra el ciclo, el cual vuelve a repetirse.

Características de la Convección

    La convección en la atmósfera terrestre involucra la transferencia de enormes cantidades del calor absorbido por el agua. Forma nubes de gran desarrollo vertical (por ejemplo, cúmulos Congestus y, sobre todo, Cumulonimbos, que son los tipos de nubes que alcanzan mayor desarrollo vertical). Estas nubes son las típicas portadoras de tormentas eléctricas y de grandes chaparrones. Al alcanzar una altura muy grande (por ejemplo, unos 12 o 14 km) y enfriarse violentamente, pueden producir tormentas de granizo, ya que las gotas de lluvia se van congelando al ascender violentamente y luego se precipitan al suelo ya en estado sólido. Pueden tener forma de un hongo asimétrico de gran tamaño; y a veces suele formarse en este tipo de nubes, una estela que semeja una especie de yunque (anvil's head, como se conoce en inglés).

La energía Cape

   Energía Potencial Convectiva Disponible. Medida de la cantidad de energía disponible para la convección. EPCD (CAPE, Convective Available Potential Energy) está directamente relacionado con la máxima velocidad vertical potencial dentro de una corriente ascendente; de modo que los valores más altos indican mayor potencial para tiempo severo. Los valores observados en ambientes tormentosos a menudo pueden superar 1,000 Julios por Kilo (J/Kg) y en casos extremos pueden superar 5,000 J/Kg. Sin embargo, como con otros índices o indicadores, no hay valores umbral a partir de los cuales el tiempo severo llegue a ser inminente. La EPCD se representa en los sondeos como el área encerrada entre el perfil de temperatura ambiental y el camino de una parcela de aire ascendente, sobre el estrato dentro del cual el último es más caliente que el primero (esta área a menudo se la llama área positiva).

MAPA CAPE AND LIFTED INDEX

                                                                 Fuente©www.wetterzentrale.de

El índice CAPE ( Convective Availaible Potential Energy)

    Este índice lo que nos muestra es la cantidad de energía flotante en el aire que se encuentra disponible para acelerar una porción de aire verticalmente. Dicho esto, hay que que reseñar que es un índice muy bueno en lo que se refiere a las ascendencias que pueden producir tormentas, aunque flojea en otros aspectos.

De tal manera que podemos escribir:

CAPE  0  Estable, posibilidad de tormenta casi nula.
CAPE entre 0 y 1000   Levemente inestable. Tormentas leves o moderadas.
CAPE entre 1000 y 2500   Moderadamente inestable. Fuertes tormentas.
CAPE entre 2500 y 3000   Notablemente inestable. Tormentas severas, granizo.
CAPE > 3500  Extremadamente inestable. Posibilidad de supercélulas y tornados.

    Un fuerte contraste entre parcelas de aire cálido con el aire frío circundante, junto con un CAPE elevado y fuertes corrientes ascendentes es sinónimo de convección severa.

    El CAPE se mide en julios/kilogramo( J/Kg.). En un sondeo se determina como el área que queda entre la curva teórica y la curva de estado cuando la primera está a la derecha de la segunda.
Otra valor relacionado sería el CIN (Convective inhibition) que sería justamente lo contrario, o sea el área que queda entre la curva teórica y la de estado cuando la primera está a la izquierda de la segunda.
El CIN es el contrario del CAPE, es un factor que va en contra de la convección. Cuanto más bajo sean sus valores mayores probabilidades de movimientos convectivos.

La Inestabilidad y la Inhibición Convectiva

    La inestabilidad es un ingrediente básico para que una burbuja o masa de aire ascienda o descienda cuando es sometida, externamente, a un ascenso o descenso forzado. Decimos que existe inestabilidad en la atmósfera cuando al forzar y separar, por un mecanismo externo a ella, a una masa de aire de su estado de equilibrio, ésta lo hace ascendiendo o descendiendo de forma virulenta en función del grado de su flotabilidad respecto al ambiente. Como vemos, la inestabilidad de una masa de aire se derivará a formar núcleos tormentosos cuando ésta es forzada externamente y evoluciona de tal forma que se aleja de su estado de equilibrio muy rápidamente. Podemos tener inestabilidad potencial o latente y no ocurrir nada (basta pensar en un bidón de gasolina a la intemperie y no se produce la ignición espontánea) ya que no existe mecanismo externo que la excite.

    Algo así, ocurre cuando tenemos una bola de acero colocada en la parte superior de una parábola o esfera invertida. Teóricamente, si no se le desplaza de su posición de equilibrio, la bola quedará inmóvil sobre él. Un leve desplazamiento hará que la bola se precipite y se aleje rápidamente de su posición inicial (este símil es de tipo mecánico pero sirve para conceptuar lo que queremos explicar).

Una bola en equilibrio sobre un paraboloide invertido puede ser desplazada de su posición inicial al aplicarle una fuerza externa y evolucionar de forma rápida alejándose de su posición inicial: Símil mecánico del concepto de inestabilidad

    Cuando se analiza la inestabilidad de la atmósfera nos referimos a la troposfera y, normalmente, en el estrato comprendido entre niveles bajos-superficie y niveles medios. Sin entrar en grandes detalles, podemos decir que la inestabilidad es un concepto tridimensional que se manifiesta al separar a una masa de aire de su posición de equilibrio. Sí está evoluciona rápidamente separándose de dicha posición, mediante ascenso o descensos, decimos que la masa de aire es inestable. Cuando nos referimos a fluidos, podemos hablar de inestabilidad y flotabilidad de forma indistinta, en esta aproximación conceptual. No es admisible, decir que la inestabilidad aumenta porque una masa de aire frío está penetrando en altura. Debemos considerar lo que ocurre en todos los niveles. Puede suceder que un enfriamiento en niveles altos vaya acompañado por otro en niveles inferiores y, así, estabilizar aún más la atmósfera.

   En muchas ocasiones se habla de inhibición convectiva, preferentemente en capas bajas. Podemos tener una capa inestable en niveles bajos y “tapaderas” en niveles superiores que inhiben la convección, o lo que es más común una zona estable en niveles inferiores que impide el desplazamiento forzado de potenciales burbujas ascendentes desde dichos niveles. En este sentido, el mecanismo externo que fuerce a la masa de aire a ascender debe realizar un trabajo para vencer a los mecanismos inhibidores. Volviendo al símil mecánico bola de acero-parábola, tendríamos el caso de una bola de acero colocada en el fondo de una parábola que mira hacia arriba (equivalente a una capa estable) pero que posteriormente sus lados cambian de curvatura y pasan a estar orientados hacia abajo (ídem pero inestable). Si la fuerza o el trabajo que le comunicamos a la bola llega a superar la altura del trozo de la parábola directa, la bola comenzara después a descender sin necesidad de suministrarle más trabajo.

    Los mecanismos de disparo atmosféricos son lo que fuerzan a las masas de aire a separarse de su posición de equilibrio, a vencer las fuerzas que se oponen al ascenso o debilitar las tapaderas o inversiones térmicas. Si dicho mecanismo de disparo no es capaz de vencer a las fuerzas inhibidoras de la convección, ésta no se desarrollará, aún existiendo cierta inestabilidad potencial o latente.

Humedad

    De la misma forma, si no existe suficiente humedad en una amplia capa atmosférica los focos convectivos que se desarrollen, por la existencia de inestabilidad y mecanismo de disparo, serán poco “eficientes” en la generación de lluvias. Los entornos medioambientales secos tienden a evaporar la poca precipitación que se pueda generar en las nubes convectivas. De esta forma, las lluvias torrenciales se ven favorecidas por la presencia de humedad en una amplia capa atmosférica. En este sentido un mar cálido sí favorece entornos atmosféricos húmedos y cálidos.

El forzamiento externo o mecanismo de disparo: La Chispa del Viento

    Siguiendo con los símiles mecánicos ( o el de un bidón de gasolina), tenemos que la convección se desencadenará de forma significativa si existe una fuerza externa o mecanismo de disparo que sea capaz de mover a la bola más allá del nivel donde la propia bola pueda moverse sola. En la atmósfera los mecanismos de disparo pueden ser los sistemas frontales ligados a borrascas, vaguadas muy activas, depresiones aisladas en niveles altos, etc. que se acerquen a la zona inestable. Estos sistemas de gran escala, generan flujos locales de origen orográfico que son los que a fin de cuentas vencen a los factores inhibidores y llevan a las masas de aire a niveles tales que ellas mismas evolucionan sin necesidad de forzamiento externo, gracias a su flotabilidad: se ha disparado la convección.

Todo junto

    En meteorología, la suma/resta de factores o ingredientes para genera lluvias torrenciales no es acumulativa: la presencia de uno o dos ingredientes con la ausencia del tercero no genera lluvias intensas, aun siendo uno o los dos restantes muy intensos.

    Si en matemáticas, 2+3-4+1 siempre es 2, un número positivo, la suma de ingredientes atmosféricos con sus contribuciones positivas y negativas no tienen por qué dar forzosamente convección. En otras palabras, la existencia de inestabilidad frente a la ausencia de humedad o un mecanismo de disparo puede , no sólo no dar lluvias torrenciales, sino inhibir la convección potencial. Es fundamental que los tres ingredientes estén en el mismo lugar, en el mismo instante y actuando favorablemente.

    En este sentido, podemos tener un substrato húmedo y cálido en capas bajas, soportado por el mar Mediterráneo en la época otoñal, pero la ausencia de los otros dos ingredientes puede inhibir la convección. Lo que nos asegura las masas de aguas mediterráneas cálidas es justamente ese sustrato aéreo húmedo y cálido que puede responder positivamente a la presencia de perturbaciones sinópticas y locales que hacen que todos los ingredientes actúen de forma sinergéticamente positiva, reforzándose mutuamente.

    La presencia de temperaturas anormalmente altas en las aguas costeras próximas a la península no es condición necesaria y suficiente para que haya lluvias torrenciales. La mal traída y mal usada “gota fría” no es más ni menos que una de las perturbaciones que, a nivel sinóptico (llamada DANA en términos técnicos como acrónimo de Depresión Aislada en Nivelas Altos) pueden actuar como director de orquesta para poner en funcionamiento coordinado a los factores que pueden desencadenar lluvias torrenciales. Existen otro tipo de perturbaciones sinópticas y mesoescalares que pueden hacer coincidir a dichos elementos y generar lluvias torrenciales y persistentes.

   Por lo tanto, la presencia de aguas más cálidas de lo normal en el Mediterráneo es un importante factor más que puede contribuir a la presencia de lluvias, torrenciales y persistentes. Si las perturbaciones asociadas al frente polar o de tipo subtropical quedan por encima de nuestras latitudes, las aguas del Mediterráneo se irán enfriando camino del invierno sin producir las esperadas lluvias otoñales. Si por el contrario, la actividad de las perturbaciones troposféricas (borrascas, vaguada, DANAS, anticiclones centroeuropeos que generan flujos de este de largo recorrido marítimo, etc..) es marcada sobre nuestras latitudes, tendremos un otoño “movido”.

   El mar Mediterráneo puede proporcionar unas condiciones singulares cuando su temperatura es elevada (acumulador de energía): puede ser un suministrador de la humedad suficiente como para generar condiciones de inestabilidad (si otros factores en niveles medios y altos se dan), es una fuente de humedad para desarrollar y mantener tormentas intensas y profundas, puede generar un sustrato húmedo en capas bajas para que la precipitación sea en forma líquida, preferentemente, y que llegue al suelo.

   La orografía circundante al propio mar condiciona, parcialmente, el dónde, cuánto y cuándo puede llover, gracias a las circulaciones locales generadas orográficamente. Basta que existen perturbaciones sinópticas bien definidas para que dispare la convección y libere de forma violenta la energía almacenada en dicho mar.

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    * Fuentes sección:

         http://es.wikipedia.org

                    www.spainsevereweather.com

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