Física de nubes

Tema 9. Física de nubes
Conceptos previos al Tema 9. Engelamiento

Formación de gotitas nubosas
• • Las transiciones de fase ocurren en equilibrio termodinámico. Es necesario superar una barrera de energía libre. Las gotitas de agua se caracterizan por unas intensas fuerzas de tensión superficial, de modo que para aumentar el tamaño por condensación, a partir de vapor, la tensión tiene queser contrarestada por un fuerte gradiente de presión de vapor. La ecuación de Clausius-Clapeyron describe la condición de equilibrio para un sistema termodinámico consistente en vapor y una masa de agua. La saturación se define como la situación de equilibrio en la que las velocidades de evaporación y condensación son iguales. Debido a la barrera de energía libre el cambio de fase no tiene lugar enlas condiciones de equilibrio. Las gotas de agua comienzan a formarse en vapor de agua puro con valores de humedad relativa de varios 100%. Procesos de nucleación: debe contrarrestarse la energía libre. En la atmósfera, – Nucleación homogénea. – Nucleación heterogénea.

•

•

•

Nucleación de agua líquida a partir de vapor
• • La gotita de nube formada será estable si supera ciertovalor de radio crítico; las de tamaño inferior a este valor desaparecerán. En el caso de la nucleación homogénea del agua pura, el ritmo de crecimiento depende de la presión parcial del vapor de agua en el entorno ya que este determina el ritmo al que las moléculas de agua inciden sobre la gotita. El proceso de evaporación o desaparición, depende estrechamente de la temperatura de la gota y de sutensión superficial, ya que las moléculas situadas en la superficie de la gota deben alcanzar suficiente energía para escapar, superando las fuerzas de enlace que se oponen a ello. La presión de vapor de equilibrio sobre la superficie de la gota depende de su curvatura y viene dada por la expresión:

•

•

es (r ) = es (∞) exp(2σ / rRv ρ LT )
es (r ) : presión de saturación del vapor sobre lasuperficie de la gota de radio r. : presión de saturación del vapor respecto al agua. es (∞) : tensión superficial σ

Nucleación de agua líquida a partir de vapor
• • • A medida que el tamaño de la gota disminuye, la presión de vapor necesaria para mantenerla en equilibrio aumenta. El ritmo de crecimiento de una gota de radio r es proporcional a la diferencia e-es(r). En consecuencia,
– Lasgotas cuyos radios son tales que e-es(r) 1 μm • • Aerosoles: higroscópicos, neutros e hidrófobos. Composición: sal marina, procesos de combustión, procedentes de reacciones naturales en la atmósfera, sulfato.

Los únicos núcleos que forman nubes son los que se activan para sobresaturaciones del 1% o inferiores:

Núcleos de condensación de nubes.

Nucleación heterogénea
• • La velocidad deformación de las gotitas viene determinada por el número de núcleos de condensación. Un soluto, al disolverse tiende a disminuir la presión de saturación del vapor en equilibrio con el líquido. Este efecto puede interpretarse, intuitivamente, por el hecho de que cuando las moléculas del soluto entran en el líquido, desplazan a alguna de las moléculas del mismo, situadas en la capa superficial y lassustituyen; generalmente la presión de vapor del soluto es inferior a la del disolvente y en consecuencia, la presión de vapor quedará reducida en la proporción del soluto presente. Este efecto puede determinar una drástica reducción de la presión de vapor, en equilibrio con la disolución existente en la gotita, que será capaz de subsistir, o incluso crecer en un ambiente cuya sobresaturación seamuy inferior a la que correspondería a una gotita de agua pura del mismo tamaño. Para una superficie plana, Ley de Raoult

•

e´ n0 = es n + n0

Nucleación heterogénea
• Combinando la ecuación de Kelvin y el efecto de la disolución llegamos a la expresión:

e a b = 1+ − 3 es r r
• a/r : término de curvatura, que expresa el aumento de la razón de saturación sobre una gotita, frente al...