2.3 Atenuaci´ on por nubes
2.3.3 Clasificaci´ on y caracter´ısticas de nubes
Un estudio adecuado de los efectos de atenuaci´on que se producen debido a la presencia de nubes, requiere de un conocimiento sobre sus caracter´ısticas principales as´ı como ciertos par´ametros que permiten comprender el medio de propagaci´on en observaci´on. A continuaci´on, se desarrollan los siguientes aspectos:
• Clasificaci´on de nubes.
• Tama˜nos de gotas y contenido de agua l´ıquida. • Temperatura y estado de las part´ıculas.
Una discusi´on detallada sobre los procesos de formaci´on de nubes, debido tanto a fen´omenos a gran escala, debido a movimientos verticales de masas de aire (i.e. din´amica de las nubes), o a peque˜na escala (i.e. microf´ısica de las nubes), asociados a procesos de formaci´on y crecimiento de gotas, adem´as de su interrelaci´on con su entorno, puede encontrarse en literatura especializa- da. Algunas referencias bibliogr´aficas con abundante material que cubren en detalle estos temas son (Houze, 1994; Pruppacher and Klett, 1997; Rogers,
1976; Wallace and Hobbs,2006).
2.3.3.1 Clasificaci´on de nubes
La WMO (World Meteorological Organisation) define una serie de m´etodos y criterios para la clasificaci´on de nubes (WMO, 1975, 2008). Una de las clasificaciones m´as conocidas se basa en la forma y apariencia de las nubes, seg´un la cual se definen 10 grandes tipos de nubes, subdivididas en diferentes especies y variedades, con caracter´ısticas muy espec´ıficas (forma, estructura, disposici´on espacial, nivel de transparencia). Por otro lado, las nubes pueden clasificarse en t´erminos del nivel de altura al que se encuentra la base de la nube, medida desde superficie. Seg´un esta clasificaci´on, un escenario con nubosidad puede estar formado por un conjunto de nubes altas, medias o bajas. La Tabla 2.7resume los 10 tipos de nubes seg´un la WMO, incluyendo los rangos t´ıpicos de las alturas de las bases. Estos rangos son v´alidos para una estaci´on situada a una altura por debajo de 150 msnm y clima templado. Para emplazamientos situados a mayores alturas, la altura de la base ser´a li- geramente menor para el caso de nubes bajas. De la misma forma, para el caso de regiones con condiciones climatol´ogicas diferentes, por ejemplo re- giones tropicales, las alturas de la bases de las nubes pueden alejarse de los rangos t´ıpicos.
Existen adem´as clasificaciones menos formales propuestas por la WMO (WMO,2008), por ejemplo seg´un el tipo de part´ıculas que la componen, como pueden ser cristales de hielo, gotas de agua, o la combinaci´on de ambas.
2.3.3.2 Tama˜nos de gotas y contenido de agua l´ıquida
La distribuci´on de tama˜nos de part´ıculas de agua l´ıquida en una nube se caracteriza mediante la funci´on n(r). El n´umero de gotas por unidad de
Tabla 2.7: Clasificaci´on general de tipos de nubes y alturas de la base en regiones templadas (WMO,2008, ch. 15)
Clase de nube Tipo de nube Altura de la base desde superficie (km)
Nubes altas Cirrus (Ci) 6-12
Cirrocumulus (Cc) 6-12
Cirrostratus (Cs) 6-12
Nubes medias Altocumulus (Ac) 2-6
Altostratus (As) 2-6
Nimbostratus (Ns) Superficie - 3 Nubes bajas Stratocumulus (Sc) 0.3-1.350
Stratus (St) Superficie - 0.6
Cumulus (Cu) 0.3-1.5
Cumulonimbus (Cb) 0.6-1.5
vol´umen, con radios dentro del int´ervalo (r, r +dr), es igual a n(r)dr. En general, la distribuci´on var´ıa seg´un la posici´on dentro la nube (i.e variaci´on espacial) y el tiempo (i.e. variaci´on temporal). Adem´as de estas variaciones, existen otras de naturaleza estad´ıstica, debido al caracter aleatorio de la posici´on de las gotas dentro de una nube. Con el fin de eliminar este tipo de variabilidad, las medidas experimentales de n(r) suelen realizarse sobre un conjunto de nubes lo suficientemente grande que contenga una cantidad considerable de gotas de diferentes tama˜nos.
La funci´on n(r) se representa habitualmente mediante una distribuci´on que tiene la siguiente forma (Deirmendjian, 1969):
n(r) = arαexp(−brγ) (2.99)
donde los valores dea,α,byγ son constantes reales y positivos, relacionados a propiedades f´ısicas de la nube. Esta funci´on recibe el nombre de distribuci´on Gamma modificada, ya que para un valor deγ = 1 se obtiene una distribuci´on Gamma est´andar. Para un manejo matem´atico m´as conveniente, la constante α se define como un valor entero.
Tabla 2.8: Propiedades de part´ıculas de agua en nubes (I) (Crewell and
L¨ohnert,2003;Deirmendjian, 1975)
Nombre Contenido de Radio modal Factor Composici´on descriptivo agua l´ıquida rc de forma principal
(g/m3) (µm) α γ
Cumulus humilis <0.2 4.0 6.0 1.0 Agua Cumulonimbus >0.4 6.0 4.0 1.0 Agua Nimbostratus 0.2 - 0.4 20.0 2.0 1.0 Agua obtiene mediante la siguiente expresi´on :
N = Z ∞ 0 n(r)dr N =a Z ∞ 0 rαexp(−brγ)dr N = aΓ(β1) γbβ1 (2.100)
donde Γ() es la funci´on gamma est´andar y β1 = (α+ 1)/γ. La funci´onn(r) se maximiza para un radio rc denominado radio modal (mode radius), cuyo
valor se obtiene mediante la expresi´on: rγc = α
bγ (2.101)
En las Tablas 2.8 y 2.9 se muestran algunos ejemplos de los ´ordenes de magnitud de varios de los par´ametros previamente expuestos.
El contenido de agua l´ıquida wl (g/m3) es igual al producto del volumen
Vp ocupado por el n´umero de part´ıculas, por unidad de vol´umen, multiplicado
por la densidad del agua pura (=106 g/m3). La fracci´on de vol´umen Vp se
obtiene multiplicando n(r) por 4πr3/3, para obtener finalmente mediante integraci´on la siguiente expresi´on (Ulaby et al., 1981, pp. 307):
wl =
4×106aπ
3γbβ2 Γ(β2) (2.102)
donde β2 = (α+ 4)/γ.
2.3.3.3 Temperatura y estados de las part´ıculas
La temperatura de las part´ıculas de agua dentro las nubes, difiere aproxima- damente unas d´ecimas de grado respecto a la temperatura atmosf´erica. S´olo
Tabla 2.9: Propiedades de part´ıculas de agua en nubes (II) (Brussaard and Watson, 1995) N rc rmin rmax ∆r Nombre descriptivo (cm−3) (µm) (µm) (µm) (µm) Stratus I 464 3.5 0.0 16.0 3.0 Altostratus 450 4.5 0.0 13.0 4.5 Stratocumulus 350 3.5 0.0 11.2 4.4 Nimbostratus 330 3.5 0.0 19.8 9.5 Cumulus 300 3.5 0.5 10.0 3.0 Stratus II 260 4.5 0.0 20.0 5.7 Cumulus congestus 207 3.5 0.0 16.2 6.7 Cumulonimbus 72 5.0 0.0 30.0 7.0
N, concentraci´on de gotas por unidad de vol´umen;rmin, radio modal;rmin, radio m´ınimo; rmax, radio m´aximo; ∆r, ancho de la distribuci´on para puntos medios.
en el caso de nubes cumulus densas esta diferencia puede llegar a ser mayor a un grado (Brussaard and Watson, 1995, pp. 173).
En general, aquellas nubes que se encuentran a temperaturas mayores a 0oC se asume que est´an compuestas por gotas de agua. Por debajo de este nivel, la fase de las part´ıculas presenta una variabilidad importante entre estados l´ıquidos y s´olidos, que depende de la presencia de nucleos de agua o de hielo dentro la nube. Algunas observaciones concluyen que para temperaturas entre -12oC y -16oC, la mayor parte de las part´ıculas presentes en una nube se pueden considerar en fase l´ıquida (Brussaard and Watson,1995, pp. 174). Adicionalmente, es importante destacar que la presencia de gotas de agua con temperaturas por debajo de 0oC, conocidas como gotas superenfriadas
(supercooled droplets), no supone la existencia de part´ıculas de hielo.