Escarcha

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Un parche de hierba que muestra la helada cristalina en la sombra de abajo congelación (azul, inferior derecha); helada en el calentamiento pero todavía por debajo de la helada más recientemente expuesta a la luz solar (blanca, centro); y una región libre de heladas: aquí, la helada anterior se ha fundido de una exposición más prolongada a la luz solar (verde, superior izquierda).

Escarcha es una fina capa de hielo sobre una superficie sólida, que se forma a partir del vapor de agua en una atmósfera por encima del punto de congelación que entra en contacto con una superficie sólida cuya temperatura está por debajo del punto de congelación, y que da como resultado una cambio de fase de vapor de agua (un gas) a hielo (un sólido) cuando el vapor de agua alcanza el punto de congelación. En climas templados, aparece más comúnmente en superficies cercanas al suelo como frágiles cristales blancos; en climas fríos, se presenta en una mayor variedad de formas. La propagación de la formación de cristales ocurre por el proceso de nucleación.

Los cristales de hielo de la escarcha se forman como resultado del desarrollo del proceso fractal. La profundidad de los cristales de escarcha varía según la cantidad de tiempo que se han estado acumulando y la concentración del vapor de agua (humedad). Los cristales de escarcha pueden ser invisibles (negros), transparentes (translúcidos) o blancos; si una masa de cristales de escarcha dispersa la luz en todas direcciones, la capa de escarcha parece blanca.

Los tipos de escarcha incluyen escarcha cristalina (escarcha o escarcha de radiación) por la deposición de vapor de agua del aire con poca humedad, escarcha blanca en condiciones húmedas, escarcha de ventana en superficies de vidrio, escarcha de advección del viento frío sobre superficies frías, escarcha negra sin hielo visible a bajas temperaturas y muy baja humedad, y escarcha en condiciones húmedas sobreenfriadas.

Las plantas que han evolucionado en climas más cálidos sufren daños cuando la temperatura desciende lo suficiente como para congelar el agua en las células que forman el tejido vegetal. El daño tisular resultante de este proceso se conoce como "daño por heladas". Los agricultores de aquellas regiones donde se sabe que los daños por heladas afectan a sus cultivos a menudo invierten en medios importantes para proteger sus cultivos de tales daños.

Formación

Frost en la ciudad más alta de Venezuela, Apartaderos: Debido a su ubicación en un ecosistema de tundra alpino llamado páramo, un ciclo diario de congelación y sierra, a veces descrito como "verano cada día e invierno cada noche", existe.

Si una superficie sólida se enfría por debajo del punto de rocío del aire húmedo circundante y la superficie en sí está más fría que la congelación, se formará hielo sobre ella. Si el agua se deposita como un líquido que luego se congela, forma una capa que puede parecer vítrea, opaca o cristalina, según su tipo. Dependiendo del contexto, ese proceso también puede llamarse formación de hielo atmosférico. El hielo que produce difiere en algunos aspectos de la escarcha cristalina, que consiste en espículas de hielo que normalmente se proyectan desde la superficie sólida sobre la que crecen.

La principal diferencia entre las capas de hielo y las espículas heladas surge porque las espículas cristalinas crecen directamente a partir de la desublimación del vapor de agua del aire, y la desublimación no es un factor en la formación de hielo en las superficies heladas. Para que se produzca la desublimación, la superficie debe estar por debajo del punto de congelación del aire, lo que significa que está lo suficientemente fría como para que se forme hielo sin pasar por la fase líquida. El aire debe estar húmedo, pero no lo suficientemente húmedo para permitir la condensación de agua líquida, o se producirá formación de hielo en lugar de desublimación. El tamaño de los cristales depende en gran medida de la temperatura, la cantidad de vapor de agua disponible y cuánto tiempo han estado creciendo sin ser perturbados.

Como regla general, excepto en condiciones en las que hay gotas sobreenfriadas en el aire, la escarcha se formará solo si la superficie de deposición está más fría que el aire circundante. Por ejemplo, se puede observar escarcha alrededor de las grietas en las aceras de madera fría cuando el aire húmedo se escapa del suelo más cálido que se encuentra debajo. Otros objetos en los que comúnmente se forma escarcha son aquellos con bajo calor específico o alta emisividad térmica, como los metales ennegrecidos, de ahí la acumulación de escarcha en las cabezas de los clavos oxidados.

La ocurrencia aparentemente errática de heladas en localidades adyacentes se debe en parte a las diferencias de elevación, las áreas más bajas se vuelven más frías en las noches tranquilas. Cuando el aire estático se asienta sobre un área de suelo en ausencia de viento, la capacidad de absorción y el calor específico del suelo influyen fuertemente en la temperatura que alcanza el aire atrapado.

Tipos

Escarcha

Una tela de araña cubierta de helada de araña de aire

Helada de oso sobre la nieve

Aguja de profundidad, con imagen óptica (izquierda) y microscopía de escaneo (derecha)

La escarcha, también escarcha, escarcha de radiación o pruina, se refiere a cristales de hielo blanco depositados en el suelo o unidos de forma floja a objetos expuestos, como cables u hojas. Se forman en noches frías y despejadas cuando las condiciones son tales que el calor se irradia hacia el espacio exterior más rápido de lo que puede ser reemplazado por objetos cálidos cercanos o traído por el viento. En circunstancias adecuadas, los objetos se enfrían por debajo del punto de congelación del aire circundante, muy por debajo del punto de congelación del agua. Dicha congelación puede ser promovida por efectos tales como helada de inundación o bolsa de helada. Estos ocurren cuando la radiación a nivel del suelo enfría el aire hasta que fluye cuesta abajo y se acumula en bolsas de aire muy frío en valles y hondonadas. La escarcha puede congelarse en un aire frío tan bajo, incluso cuando la temperatura del aire a unos pocos pies sobre el suelo está muy por encima del punto de congelación.

La palabra "hoar" proviene de un adjetivo en inglés antiguo que significa "mostrando signos de vejez". En este contexto, se refiere a la escarcha que hace que los árboles y arbustos parezcan canas.

La escarcha puede tener distintos nombres según el lugar donde se forme:

Air hoar es un depósito de helada de manguera sobre objetos sobre la superficie, como ramas de árboles, tallos de plantas y alambres.
Surface hoar se refiere a los cristales de hielo similares a los helechos depositados directamente en nieve, hielo o superficies ya congeladas.
Manguera de crevasse consiste en cristales que forman en crevasses glaciales donde el vapor de agua puede acumularse bajo condiciones climáticas tranquilas.
Depth hoar se refiere a cristales facetados que han crecido lentamente dentro de cavidades debajo de la superficie de los bancos de nieve seca. Los cristales de manguera de profundidad crecen continuamente a expensas de los cristales más pequeños vecinos, por lo que normalmente son visiblemente pisados y han facetado huecos.

Cuando la capa superficial cubre bancos de nieve inclinados, la capa de cristales de escarcha puede crear un riesgo de avalancha; cuando gruesas capas de nieve nueva cubren la superficie helada, cristales peludos que sobresalen de la nieve vieja retienen los copos que caen, formando una capa de vacíos que evita que las capas de nieve nueva se adhieran fuertemente a la nieve vieja debajo. Las condiciones ideales para que se forme escarcha en la nieve son noches frías y despejadas, con corrientes de aire frío muy ligeras que transportan la humedad a la velocidad adecuada para el crecimiento de cristales de escarcha. El viento que es demasiado fuerte o cálido destruye los cristales peludos y, por lo tanto, puede permitir una unión más fuerte entre las capas de nieve vieja y nueva. Sin embargo, si los vientos son lo suficientemente fuertes y fríos como para aplanar y secar los cristales, cubriendo la nieve con cristales fríos y sueltos sin quitarlos o destruirlos o dejar que se calienten y se vuelvan pegajosos, entonces la interfaz de escarcha entre las capas de nieve puede todavía presentan un peligro de avalancha, porque la textura de los cristales de escarcha difiere de la textura de la nieve, y los cristales secos no se adhieren a la nieve fresca. Tales condiciones aún impiden una fuerte unión entre las capas de nieve.

A temperaturas muy bajas, donde se forman cristales esponjosos en la superficie sin que posteriormente se cubran con nieve, los vientos fuertes pueden romperlos, formando un polvo de partículas de hielo y llevándolas por la superficie. Entonces, el polvo de hielo puede formar yukimarimo, como se ha observado en partes de la Antártida, en un proceso similar a la formación de motas de polvo y estructuras similares.

Una flor con helada de advección en los bordes de sus pétalos

La escarcha blanca y la escarcha blanca también se producen en entornos artificiales, como congeladores o instalaciones industriales de almacenamiento en frío. Si tales espacios fríos o las tuberías que los sirven no están bien aislados y están expuestos a la humedad ambiental, la humedad se congelará instantáneamente dependiendo de la temperatura del congelador. La escarcha puede cubrir las tuberías de manera espesa, aislándolas en parte, pero un aislamiento tan ineficiente sigue siendo una fuente de pérdida de calor.

Helada de advección

escarcha de advección (también llamada escarcha de viento) se refiere a pequeños picos de hielo que se forman cuando sopla un viento muy frío sobre las ramas de los árboles, los postes y otras superficies. Parece un borde en los bordes de las flores y las hojas, y por lo general se forma en contra de la dirección del viento. Puede ocurrir a cualquier hora, de día o de noche.

Escarcha de ventana

escarcha de ventana (también llamada escarcha de helecho o flores de hielo) se forma cuando un panel de vidrio se expone al aire muy frío del exterior y aire cálido y moderadamente húmedo en el interior. Si el panel es un mal aislante (por ejemplo, si es una ventana de un solo panel), el vapor de agua se condensa en el vidrio, formando patrones de escarcha. Con temperaturas exteriores muy bajas, puede aparecer escarcha en la parte inferior de la ventana, incluso con ventanas de doble panel energéticamente eficientes, porque la convección del aire entre dos paneles de vidrio hace que la parte inferior del acristalamiento esté más fría que la parte superior. En vehículos de motor sin calefacción, la escarcha generalmente se forma primero en la superficie exterior del vidrio. La superficie del vidrio influye en la forma de los cristales, por lo que las imperfecciones, los rasguños o el polvo pueden modificar la forma en que se nuclea el hielo. Los patrones en la escarcha de la ventana forman un fractal con una dimensión fractal mayor que uno, pero menor que dos. Esto es consecuencia de que el proceso de nucleación se ve obligado a desarrollarse en dos dimensiones, a diferencia de un copo de nieve, que se forma mediante un proceso similar, pero se forma en tres dimensiones y tiene una dimensión fractal mayor que dos.

Si el aire interior es muy húmedo, en lugar de moderadamente húmedo, el agua primero se condensa en pequeñas gotas y luego se congela en hielo transparente.

Pueden ocurrir patrones similares de congelación en otras superficies verticales lisas, pero rara vez son tan obvios o espectaculares como en el vidrio transparente.

Patrones Frost que se desarrollaron en vidrio de un marco frío.

Escarcha blanca

La escarcha blanca es una deposición sólida de hielo que se forma directamente a partir del vapor de agua contenido en el aire.

La escarcha blanca se forma cuando la humedad relativa está por encima del 90 % y la temperatura por debajo de -8 °C (18 °F), y crece en contra de la dirección del viento, ya que el aire que llega de barlovento tiene una humedad más alta que el aire de sotavento, pero la el viento no debe ser fuerte, de lo contrario daña las delicadas estructuras heladas a medida que comienzan a formarse. La escarcha blanca se asemeja a una gruesa capa de escarcha con grandes cristales entrelazados, generalmente en forma de aguja.

Escarcha

Escarcha es un tipo de deposición de hielo que se produce rápidamente, a menudo en condiciones de mucha humedad y viento. Técnicamente hablando, no es un tipo de helada, ya que normalmente se trata de gotas de agua sobreenfriada, a diferencia de la formación de escarcha, en la que el vapor de agua se desublima de forma lenta y directa. Los barcos que navegan por los mares del Ártico pueden acumular grandes cantidades de escarcha en el aparejo. A diferencia de la escarcha, que tiene un aspecto plumoso, la escarcha generalmente tiene un aspecto sólido y helado.

Escarcha negra

Planta muerta sale durante la tormenta de invierno Uri en un patio trasero en el norte de México, con temperaturas de congelación inferiores.

La escarcha negra o ("escarcha mortal") no es estrictamente una escarcha, porque es la condición que se observa en los cultivos cuando la humedad es demasiado baja para que se forme escarcha., pero la temperatura desciende tanto que los tejidos de las plantas se congelan y mueren, ennegreciéndose, de ahí el término "escarcha negra". La escarcha negra a menudo se llama "escarcha mortal" porque la escarcha blanca tiende a ser menos fría, en parte porque el calor latente de congelación del agua reduce el descenso de temperatura.

Efecto en las plantas

Daño

Frost en la hierba de un parque público en noviembre

Mapa de la helada promedio de muerte en Ohio de "Geografía de Ohio", 1923

Muchas plantas pueden dañarse o morir por las heladas o las temperaturas bajo cero. Esto varía según el tipo de planta, el tejido expuesto y cuán bajas sean las temperaturas; una "escarcha ligera" de −2 a 0 °C (28 a 32 °F) daña menos tipos de plantas que una "helada fuerte" por debajo de -2 °C (28 °F).

Las plantas que probablemente se dañarán incluso con una helada ligera incluyen enredaderas, como frijoles, uvas, calabazas, melones, junto con solanáceas como tomates, berenjenas y pimientos. Las plantas que pueden tolerar (o incluso beneficiarse de) las heladas incluyen:

verduras de raíz (por ejemplo, remolachas, zanahorias, pernos, cebolla)
verdes frondosos (por ejemplo, lettuces, espinacas, chard, pepino)
verduras cruciferas (por ejemplo, coles, coliflor, bok choy, broccoli, Bruselas brotes, radishes, collado, mostaza, nabos, rutabagas)

Incluso aquellas plantas que toleran las heladas pueden dañarse una vez que las temperaturas bajan aún más (por debajo de -4 °C o 25 °F). Las plantas perennes resistentes, como Hosta, se vuelven inactivas después de las primeras heladas y vuelven a crecer cuando llega la primavera. Toda la planta visible puede volverse completamente marrón hasta el calor de la primavera, o puede perder todas sus hojas y flores, dejando solo el tallo y el tallo. Las plantas de hoja perenne, como los pinos, resisten las heladas aunque todo o la mayor parte del crecimiento se detiene. Frost crack es un defecto de la corteza causado por una combinación de bajas temperaturas y el calor del sol de invierno.

La vegetación no se daña necesariamente cuando la temperatura de las hojas desciende por debajo del punto de congelación del contenido de sus células. En ausencia de un sitio que nuclear la formación de cristales de hielo, las hojas permanecen en un estado líquido sobreenfriado, alcanzando temperaturas seguras de -4 a -12 °C (25 a 10 °F). Sin embargo, una vez que se forma la escarcha, los cristales de hielo afilados pueden dañar las células de las hojas. El endurecimiento es el proceso por el cual una planta se vuelve tolerante a las bajas temperaturas. Véase también Criobiología.

Ciertas bacterias, en particular Pseudomonas syringae, son particularmente efectivas para desencadenar la formación de escarcha, elevando la temperatura de nucleación a aproximadamente −2 °C (28 °F). Las bacterias que carecen de proteínas activas en la nucleación del hielo (bacterias sin hielo) dan como resultado un daño por heladas muy reducido.

Métodos de protección

Rosas con protección contra la helada - Volksgarten, Viena

Curitiba (Brasil del Sur) es el más frío de las capitales estatales de Brasil; el invernadero del Jardín Botánico de Curitiba protege plantas sensibles.

Las medidas típicas para prevenir las heladas o reducir su gravedad incluyen una o más de las siguientes:

desplegar potentes sopladores para simular viento, evitando así la formación de acumulaciones de aire frío. Hay variaciones en este tema. Una variedad es la máquina del viento, una hélice con motor montada sobre un polo vertical que sopla el aire casi horizontalmente. Las máquinas de viento fueron introducidas como un método para la protección de las heladas en California durante los años 20, pero no fueron ampliamente aceptadas hasta los años 40 y 1950. Ahora, se utilizan comúnmente en muchas partes del mundo. Otro es el fregadero invertido selectivo, un dispositivo que evita la helada al sacar el aire frío del suelo y soplarlo a través de una chimenea. Originalmente se desarrolló para prevenir el daño de las heladas a las frutas cítricas en Uruguay. En Nueva Zelanda, los helicópteros se utilizan de manera similar, especialmente en las regiones viñas como Marlborough. Al arrastrar el aire más caliente de las capas de inversión, y prevenir el estanque del aire más frío en el suelo, los helicópteros de bajo vuelo evitan los daños a los brotes de frutas. Como las operaciones se realizan de noche y en el pasado han implicado hasta 130 aeronaves por noche en una región, las normas de seguridad son estrictas. Aunque no es un método dedicado, las turbinas eólicas tienen un efecto similar (pequeño) de mezcla verticalmente capas de aire de diferentes temperaturas.
Para cultivos de alto valor, los agricultores pueden envolver árboles y cubrir cultivos.
La calefacción para frenar la caída de la temperatura no es práctica excepto los cultivos de alto valor cultivados en zonas pequeñas.
Producción de humo para reducir el enfriamiento por radiación
Rociar cultivos con una capa de agua libera calor latente, evitando la congelación dañina de los tejidos de las plantas que recubre.

Dichas medidas deben aplicarse con discreción, porque pueden hacer más daño que bien; por ejemplo, rociar cultivos con agua puede causar daños si las plantas se sobrecargan con hielo. Un método efectivo y de bajo costo para pequeñas granjas y viveros de plantas, aprovecha el calor latente de la congelación. Un temporizador de riego pulsado suministra agua a través de los rociadores aéreos existentes a un bajo volumen para combatir las heladas de hasta -5 °C (23 °F). Si el agua se congela, desprende su calor latente, evitando que la temperatura del follaje caiga muy por debajo de cero.

Zonas libres de heladas

Las áreas libres de heladas se encuentran principalmente en las tierras bajas tropicales, donde cubren casi toda la tierra excepto en altitudes superiores a los 3000 metros o 9800 pies cerca del ecuador y alrededor de los 2000 metros o 6600 pies en las áreas semiáridas de las regiones tropicales. Algunas áreas en los márgenes oceánicos de los subtrópicos también están libres de heladas, al igual que las áreas altamente oceánicas cerca de las costas de barlovento. Las áreas más libres de heladas hacia los polos son las altitudes más bajas de las Azores, Île Amsterdam, Île Saint-Paul y Tristan da Cunha.

En los Estados Unidos contiguos, el sur de Florida alrededor de Miami Beach y los Cayos de Florida son las únicas áreas confiablemente libres de heladas, así como las Islas del Canal frente a la costa de California. Las zonas de rusticidad en estas regiones son 11a y 11b.

Personificaciones

Frost se personifica en la cultura rusa como Ded Moroz. Los pueblos indígenas de Rusia, como los mordvins, tienen sus propias tradiciones de deidades heladas.

La tradición del folclore inglés sostiene que Jack Frost, una criatura élfica, es responsable de los patrones plumosos de escarcha que se encuentran en las ventanas en las mañanas frías.