Nube cúmulo
Nubes cúmulos son nubes que tienen bases planas y a menudo se describen como "hinchadas", "como algodón" o "esponjoso" en apariencia. Su nombre deriva del latín cumulo-, que significa montón o pila. Los cúmulos son nubes de bajo nivel, generalmente a menos de 2000 m (6600 pies) de altitud, a menos que sean la forma de cúmulo congestus más vertical. Los cúmulos pueden aparecer solos, en líneas o en grupos.
Los cúmulos suelen ser precursores de otros tipos de nubes, como los cumulonimbus, cuando se ven afectados por factores meteorológicos como la inestabilidad, la humedad y el gradiente de temperatura. Normalmente, los cúmulos producen poca o ninguna precipitación, pero pueden convertirse en congestiones portadoras de precipitaciones o nubes cumulonimbus. Los cúmulos se pueden formar a partir de vapor de agua, gotas de agua sobreenfriada o cristales de hielo, según la temperatura ambiente. Vienen en muchas subformas distintas y generalmente enfrían la tierra al reflejar la radiación solar entrante. Los cúmulos forman parte de la categoría más amplia de nubes cumuliformes de convección libre, que incluyen las nubes cumulonimbus. El último tipo de género a veces se clasifica por separado como cumulonimbiforme debido a su estructura más compleja que a menudo incluye una parte superior cirriforme o de yunque. También hay nubes cumuliformes de convección limitada que comprenden estratocúmulos (nivel bajo), altocúmulos (nivel medio) y cirrocúmulos (nivel alto). Estos tres últimos tipos de género a veces se clasifican por separado como estratocumuliformes.
Formación
Los cúmulos se forman a través de la convección atmosférica a medida que el aire calentado por la superficie comienza a ascender. A medida que el aire sube, la temperatura desciende (siguiendo la tasa de variación gradual), lo que hace que aumente la humedad relativa (HR). Si la convección alcanza cierto nivel, la HR alcanza el cien por cien y la "adiabática húmeda" comienza la fase. En este punto se produce una retroalimentación positiva: dado que la HR está por encima del 100 %, el vapor de agua se condensa, liberando calor latente, calentando el aire y estimulando una mayor convección.
En esta fase, el vapor de agua se condensa en varios núcleos presentes en el aire, formando la nube cúmulo. Esto crea la característica forma hinchada de fondo plano asociada con los cúmulos. La altura de la nube (desde su parte inferior hasta su parte superior) depende del perfil de temperatura de la atmósfera y de la presencia de cualquier inversión. Durante la convección, el aire circundante se arrastra (se mezcla) con la térmica y aumenta la masa total del aire ascendente. La lluvia se forma en un cúmulo a través de un proceso que involucra dos etapas no discretas. La primera etapa ocurre después de que las gotitas se fusionan en los diversos núcleos. Langmuir escribe que la tensión superficial en las gotas de agua proporciona una presión ligeramente más alta sobre la gota, elevando la presión de vapor en una pequeña cantidad. El aumento de la presión hace que esas gotas se evaporen y el vapor de agua resultante se condense en las gotas más grandes. Debido al tamaño extremadamente pequeño de las gotas de agua que se evaporan, este proceso deja de tener sentido una vez que las gotas más grandes han crecido a alrededor de 20 a 30 micrómetros, y la segunda etapa toma el relevo. En la fase de acreción, la gota de lluvia comienza a caer y otras gotas chocan y se combinan con ella para aumentar el tamaño de la gota de lluvia. Langmuir pudo desarrollar una fórmula que predijo que el radio de la gota crecería sin límites dentro de un período de tiempo discreto.
Descripción
Se ha descubierto que la densidad del agua líquida dentro de un cúmulo cambia con la altura sobre la base de la nube en lugar de ser aproximadamente constante en toda la nube. En un estudio particular, se encontró que la concentración era cero en la base de la nube. A medida que aumentaba la altitud, la concentración aumentaba rápidamente hasta la concentración máxima cerca del centro de la nube. Se encontró que la concentración máxima era de hasta 1,25 gramos de agua por kilogramo de aire. La concentración disminuyó lentamente a medida que la altitud aumentaba hasta la altura de la parte superior de la nube, donde inmediatamente volvió a caer a cero.
Los cúmulos se pueden formar en líneas que se extienden a lo largo de 480 kilómetros (300 mi) de largo, llamadas calles de nubes. Estas calles de nubes cubren vastas áreas y pueden ser rotas o continuas. Se forman cuando la cizalladura del viento provoca una circulación horizontal en la atmósfera, produciendo largas calles de nubes tubulares. Generalmente se forman durante sistemas de alta presión, como después de un frente frío.
La altura a la que se forma la nube depende de la cantidad de humedad en la térmica que forma la nube. El aire húmedo generalmente resultará en una base nubosa más baja. En áreas templadas, la base de los cúmulos suele estar por debajo de los 550 metros (1800 pies) sobre el nivel del suelo, pero puede alcanzar hasta los 2400 metros (7900 pies) de altitud. En áreas áridas y montañosas, la base de las nubes puede superar los 6100 metros (20 000 pies).
Los cúmulos pueden estar compuestos de cristales de hielo, gotas de agua, gotas de agua sobreenfriada o una mezcla de ellas. Las gotitas de agua se forman cuando el vapor de agua se condensa en los núcleos y luego pueden fusionarse en gotitas cada vez más grandes.
Un estudio encontró que en las regiones templadas, las bases de las nubes estudiadas oscilaban entre 500 y 1500 metros (1600 a 4900 pies) sobre el nivel del suelo. Estas nubes estaban normalmente por encima de los 25 °C (77 °F) y la concentración de gotas oscilaba entre 23 y 1300 gotas por centímetro cúbico (380 a 21 300 por pulgada cúbica). Estos datos se tomaron de cúmulos aislados en crecimiento que no precipitaban. Las gotas eran muy pequeñas, con un diámetro de alrededor de 5 micrómetros. Aunque pueden haber estado presentes gotas más pequeñas, las mediciones no fueron lo suficientemente sensibles para detectarlas. Las gotas más pequeñas se encontraron en las partes inferiores de las nubes, y el porcentaje de gotas grandes (alrededor de 20 a 30 micrómetros) aumentó drásticamente en las regiones superiores de la nube. La distribución del tamaño de las gotitas fue de naturaleza ligeramente bimodal, con picos en los tamaños de gotitas pequeños y grandes y un ligero valle en el rango de tamaño intermedio. El sesgo era más o menos neutral. Además, el tamaño de gota grande es aproximadamente inversamente proporcional a la concentración de gota por unidad de volumen de aire.
En algunos lugares, los cúmulos pueden tener "agujeros" donde no hay gotas de agua. Estos pueden ocurrir cuando los vientos rasgan la nube e incorporan el aire ambiental o cuando fuertes corrientes descendentes evaporan el agua.
Subformularios
Los cúmulos vienen en cuatro especies distintas, cumulus humilis, mediocris, congestus y fractus. Estas especies pueden clasificarse en la variedad cumulus radiatus; y puede ir acompañado de hasta siete elementos complementarios, cumulus pileus, velum, virga, praecipitatio, arcus, pannus y tuba.
La especie Cumulus fractus tiene una apariencia irregular y puede formarse en aire claro como precursora de cumulus humilis y tipos de especies de cumulus más grandes; o puede formarse en la precipitación como la característica suplementaria pannus (también llamada scud) que también puede incluir estratos fractus de mal tiempo. Las nubes Cumulus humilis parecen formas hinchadas y aplanadas. Las nubes Cumulus mediocris se ven similares, excepto que tienen algo de desarrollo vertical. Las nubes Cumulus congestus tienen una estructura parecida a una coliflor y se elevan a gran altura en la atmósfera, de ahí su nombre alternativo "cumulus imponente". La variedad Cumulus radiatus se forma en bandas radiales llamadas calles de nubes y puede comprender cualquiera de las cuatro especies de cúmulos.
Las características suplementarias de Cumulus se ven más comúnmente con la especie congestus. Las nubes Cumulus virga son nubes cúmulos que producen virga (precipitación que se evapora en el aire), y las cumulus praecipitatio producen precipitaciones que alcanzan la superficie de la Tierra. Cumulus pannus comprende nubes trituradas que normalmente aparecen debajo de la nube cúmulo principal durante la precipitación. Las nubes cumulus arcus tienen un frente de ráfagas, y las nubes cumulus tuba tienen nubes de embudo o tornados. Las nubes Cumulus pileus se refieren a nubes cúmulos que han crecido tan rápidamente como para forzar la formación de pileus sobre la parte superior de la nube. Las nubes Cumulus velum tienen un velo de cristal de hielo sobre la parte superior creciente de la nube. También hay cúmulos cataractagenitus. Estos están formados por cascadas.
Pronóstico
Las nubes Cumulus humilis suelen indicar buen tiempo. Las nubes Cumulus mediocris son similares, excepto que tienen cierto desarrollo vertical, lo que implica que pueden convertirse en cumulus congestus o incluso en nubes cumulonimbus, que pueden producir fuertes lluvias, relámpagos, vientos fuertes, granizo e incluso tornados. Las nubes Cumulus congestus, que aparecen como torres, a menudo se convertirán en nubes de tormenta cumulonimbus. Pueden producir precipitaciones. Los pilotos de planeadores a menudo prestan mucha atención a los cúmulos, ya que pueden ser indicadores de corrientes de aire ascendentes o térmicas debajo que pueden succionar el avión hacia el cielo, un fenómeno conocido como succión de nubes.
Efectos sobre el clima
Debido a la reflectividad, las nubes enfrían la tierra alrededor de 12 °C (22 °F), un efecto causado en gran medida por las nubes estratocúmulos. Sin embargo, al mismo tiempo, calientan la tierra alrededor de 7 °C (13 °F) al reflejar la radiación emitida, un efecto causado en gran parte por los cirros. Esto promedia una pérdida neta de 5 °C (9,0 °F). Los cúmulos, por otro lado, tienen un efecto variable sobre el calentamiento de la superficie terrestre. Las especies más verticales de cumulus congestus y el género de nubes cumulonimbus crecen en la atmósfera, transportando humedad con ellas, lo que puede conducir a la formación de cirros. Los investigadores especularon que esto podría incluso producir una retroalimentación positiva, donde el aumento de la humedad atmosférica superior calienta aún más la tierra, lo que resulta en un número creciente de nubes cúmulos congestus que transportan más humedad a la atmósfera superior.
Relación con otras nubes
Los cúmulos son un género de nubes bajas de convección libre junto con los estratocúmulos de nubes de convección limitada relacionados. Estas nubes se forman desde el nivel del suelo hasta los 2000 metros (6600 pies) en todas las latitudes. Las nubes estratos también son de bajo nivel. En el nivel medio están las nubes altas, que consisten en el altocúmulo de nubes estratocumuliformes de convección limitada y el altoestrato de nubes estratiformes. Las nubes de nivel medio se forman desde los 2000 metros (6600 pies) hasta los 7000 metros (23 000 pies) en las áreas polares, los 7000 metros (23 000 pies) en las áreas templadas y los 7600 metros (24 900 pies) en las áreas tropicales. La nube de alto nivel, cirrocumulus, es una nube estratocumuliforme de convección limitada. Las otras nubes en este nivel son cirrus y cirrostratus. Las nubes altas se forman de 3.000 a 7.600 metros (9.800 a 24.900 pies) en latitudes altas, de 5.000 a 12.000 metros (16.000 a 39.000 pies) en latitudes templadas y de 6.100 a 18.000 metros (20.000 a 59.100 pies) en latitudes tropicales bajas. Las nubes cumulonimbus, como los cumulus congestus, se extienden verticalmente en lugar de permanecer confinadas a un nivel.
Nubes cirrocúmulos
Las nubes cirrocúmulos se forman en parches y no pueden proyectar sombras. Suelen aparecer en patrones ondulados regulares o en filas de nubes con áreas claras entre ellas. Los cirrocúmulos, como otros miembros de las categorías cumuliformes y estratocumuliformes, se forman a través de procesos convectivos. El crecimiento significativo de estos parches indica inestabilidad a gran altitud y puede indicar la proximidad de un clima más adverso. Los cristales de hielo en el fondo de las nubes cirrocúmulos tienden a tener forma de cilindros hexagonales. No son sólidos, sino que tienden a tener embudos escalonados que salen de los extremos. Hacia la parte superior de la nube, estos cristales tienden a agruparse. Estas nubes no duran mucho y tienden a transformarse en cirros porque a medida que el vapor de agua continúa depositándose en los cristales de hielo, eventualmente comienzan a caer, destruyendo la convección ascendente. La nube luego se disipa en cirro. Las nubes cirrocúmulos vienen en cuatro especies que son comunes a los tres tipos de género que tienen características de convección limitada o estratocumuliformes: stratiformis, lenticularis, castellanus y floco. Son iridiscentes cuando las gotas de agua superenfriadas constituyentes tienen aproximadamente el mismo tamaño.
Nubes altocúmulos
Las nubes altocúmulos son nubes de nivel medio que se forman desde los 2000 metros (6600 pies) de altura hasta los 4000 metros (13 000 pies) en las zonas polares, los 7000 metros (23 000 pies) en las zonas templadas y los 7600 metros (24 900 pies) en las zonas tropicales. Pueden tener precipitaciones y comúnmente están compuestos de una mezcla de cristales de hielo, gotas de agua superenfriadas y gotas de agua en latitudes templadas. Sin embargo, la concentración de agua líquida casi siempre era significativamente mayor que la concentración de cristales de hielo, y la concentración máxima de agua líquida tendía a estar en la parte superior de la nube mientras que el hielo se concentraba en la parte inferior. Se descubrió que los cristales de hielo en la base de las nubes altocúmulos y en la virga eran dendritas o conglomerados de dendritas, mientras que las agujas y las placas residían más hacia la parte superior. Las nubes altocúmulos pueden formarse por convección o por el levantamiento forzado causado por un frente cálido.
Nubes estratocúmulos
Una nube estratocúmulo es otro tipo de nube estratocumuliforme. Al igual que los cúmulos, se forman en niveles bajos y por convección. Sin embargo, a diferencia de los cúmulos, su crecimiento se ve retardado casi por completo por una fuerte inversión. Como resultado, se aplanan como nubes estratos, dándoles una apariencia en capas. Estas nubes son extremadamente comunes y cubren en promedio alrededor del veintitrés por ciento de los océanos de la tierra y el doce por ciento de los continentes de la tierra. Son menos comunes en áreas tropicales y comúnmente se forman después de los frentes fríos. Además, las nubes estratocúmulos reflejan una gran cantidad de la luz solar entrante, produciendo un efecto de enfriamiento neto. Las nubes estratocúmulos pueden producir llovizna, que estabiliza la nube calentándola y reduciendo la mezcla turbulenta.
Nubes cumulonimbos
Las nubes cumulonimbus son la forma final de las nubes cúmulos en crecimiento. Se forman cuando las nubes cumulus congestus desarrollan una fuerte corriente ascendente que impulsa sus cimas más y más alto en la atmósfera hasta que alcanzan la tropopausa a 18 000 metros (59 000 pies) de altitud. Las nubes cumulonimbus, comúnmente llamadas cabezas de tormenta, pueden producir vientos fuertes, lluvias torrenciales, relámpagos, frentes de ráfagas, trombas marinas, nubes de embudo y tornados. Suelen tener nubes de yunque.
Nubes de herradura
Puede producirse una nube de herradura de corta duración cuando un vórtice de herradura deforma un cúmulo.
Extraterrestre
Se han descubierto algunas nubes cumuliformes y estratocumuliformes en la mayoría de los demás planetas del sistema solar. En Marte, el Viking Orbiter detectó cirrocúmulos y estratocúmulos formándose por convección principalmente cerca de los casquetes polares. La sonda espacial Galileo detectó nubes cumulonimbus masivas cerca de la Gran Mancha Roja en Júpiter. También se han detectado nubes cumuliformes en Saturno. En 2008, la nave espacial Cassini determinó que los cúmulos cerca del polo sur de Saturno eran parte de un ciclón de más de 4000 kilómetros (2500 mi) de diámetro. El Observatorio Keck detectó cúmulos blanquecinos en Urano. Al igual que Urano, Neptuno tiene cúmulos de metano. Venus, sin embargo, no parece tener cúmulos.
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