Humedad del aire: vapor de agua en la atmósfera y ciclo hidrológico

Meteorología y Climatología

Humedad del aire: vapor de agua en la atmósfera

Aunque el agua está presente en cantidades más o menos grandes en cualquier parte de la atmósfera, generalmente sucede que es invisible por encontrarse en estado de vapor. Sin embargo, de vez en cuando se condensa para formar nubes que proporcionan ciertas indicaciones sobre el tiempo futuro.

El agua entra en la atmósfera por los procesos de evaporación y de transpiración y luego cae sobre la Tierra en forma de precipitación, cerrando así el ciclo hidrológico.

Para conocer bien este proceso y poder pronosticar el futuro estado de la atmósfera, es preciso estudiar las variaciones de humedad o de contenido de agua en la misma. También es necesario conocer los métodos utilizados para medir la humedad del aire.

Humedad del aire

Además de los gases enumerados en temas anteriores (oxígeno, nitrógeno, anhídrido carbónico, etc), los cuales constituyen el aire seco, la atmósfera contiene cantidades variables de vapor de agua.

La mezcla de aire seco y de vapor de agua se llama aire húmedo. Antes de estudiar las característicasde esta mezcla, se examinarán ciertos procesos de cambios de estado del agua.

Los tres estados del agua

Las sustancias pueden presentarse en tres estados: sólido, líquido o gaseoso. En el caso del agua, estos tres estados son:

• estado sólido: hielo;
• estado líquido: agua;
• estado gaseoso: vapor de agua.

El agua puede pasar sea directa o indirectamente de un estado a otro. Los procesos de cambio de estado del agua son los siguientes:

Fusión Hielo => agua Sublimación Hielo => Vapor de agua Vaporización Agua => Vapor de agua Condensación Vapor de agua => agua Sublimación Vapor de agua => hielo Congelación Agua => Hielo

Más del 50% del contenido de humedad atmosférica se halla por debajo de los 850 HPa (aproximadamente 1450 m ) y más del 90% por debajo de los 500HPa(5575 m )

Tensión de vapor de aire húmedo

La atmósfera es una mezcla de gases que ejercen cada uno su propia presión llamada presión parcial. Esta presión parcial es proporcional al número de moléculas del gas contenidas en un volumen dado de la mezcla gaseosa considerada.

La presión atmosférica en un punto cualquiera es igual a la suma de las presiones parciales ejercidas por cada uno de los gases que componen la atmósfera (comprendido el vapor de agua).

Patmosfériau = Poxigeno + Pnitrógeno + Pvapordeagua + ... .....

Cuando el agua se evapora en el aire seco, el vapor así formado ejerce su propia presión, que se llama tensión de vapor. La presión atmosférica entonces aumenta, ya que se hace igual a la suma de las presiones parciales ejercidas por el vapor de agua y por el aire seco.

= +Patmosférica = Paire seco + Pvapor de agua

Variaciones del contenido de vapor de agua

La cantidad de vapor de agua contenido en la atmósfera varía en el tiempo y en el espacio. Las tensiones de vapor más elevadas ( 30hPa, aproximadamente) se observan en las regiones tropicales, cerca de la superficie del mar.

Sobre la superficie de la Tierra, los valores más bajos se observan en las altas planicies interiores del Antártico, donde en invierno se alcanzan las tensiones de vapor mínimas cuando el aire es muy frío.

Por término medio, la tensión de vapor disminuye con la altura. Pero puede suceder que en ciertas partes de la atmósfera la tensión aumente con la altura.

Tensión de vapor de saturación del aire húmedo

Considérese una superficie plana de agua líquida a una temperatura dada. Algunas de las moléculas de agua que están animadas de movimiento más rápido, se escapan de la superficie líquida y se evaporan en la capa de aire situada sobre ella. Una parte de éstas caen inmediatamente en el agua, pero otras siguen sus movimientos en forma de gas en el espacio situado encima de la superficie de la misma.

Llega un momento en que el número de moléculas que entran en el agua durante cada segundo es igual al número de las que salen. Entonces, se dice que el espacio situado inmediatamente sobre la superficie del agua está saturado para la temperatura que tiene este espacio.

La tensión de vapor ejercida por el vapor de agua contenido en un volumen de aire saturado se llama tensión de vapor de saturación a la temperatura del aire contenido en ese volumen.

La tensión de vapor de saturación varía con la temperatura. Si el aire se calienta, hará falta mayor número de moléculas de vapor de agua para saturar el espacio situado sobre el líquido y, por lo tanto, la presión parcial ejercida por el vapor de agua es mayor. La tensión de vapor de saturación aumenta, pues, con la temperatura.

El aire tropical cálido puede contener una cantidad mayor de vapor de agua que el aire frío polar. Esta es la razón por la que se observan elevadas tensiones de vapor de saturación en las proximidades de los océanos, de los lagos y de los ríos situados en las regiones tropicales.

Por ejemplo, a 20℃ la Tensión de vapor de saturación es de 23, 37hPa, pero a 40℃ es de 73,77 , y a 0°℃ es de 6, 11hPa.

Proceso de condensación

Si se introduce una cantidad suplementaria de vapor de agua en un volumen ya saturado a una temperatura determinada, el vapor de agua se condensa.

En la atmósfera hay otros factores que intervienen en los fenómenos de condensación. La condensación en la atmósfera se efectua sobre pequeñas partículas llamadas núcleos de condensación. Estos núcleos están constituidos por polvos, partículas de humo, sales marinas, iones, etc.

La condensación sobre alguno de estos núcleos se produce con tensiones de vapor menores que la tensión de saturación que corresponde a una superficie plana de agua pura a la misma temperatura.

Ciertos núcleos de condensación, tales como los núcleos salinos, tienen una tendencia muy fuerte para absorber agua, de suerte que favorecen la condensación. A estos se les da el nombre de núcleos higroscópicos.

En la atmósfera, la condensación resulta normalmente del enfriamiento del aire húmedo, es decir: del aire que contiene vapor de agua. Cuanto más disminuya la temperatura, menor será la cantidad de agua necesaria para saturar el aire. Eventualmente, se puede alcanzar una temperatura para la cual la tensión real del vapor sea igual a la tensión de vapor de saturación y, entonces, todo enfriamiento suplementario producirá la condensación.

Proceso isobárico

Ya los primeros experimentos físicos permitieron establecer las relaciones que existen entre la presión, la temperatura y el volumen de los gases.

PV T = cte

En algunos de estos experimentos, la presión del gas se mantenía constante. El proceso físico en el curso del cual la presión de un gas permanece constante se llama proceso isobárico. La palabra isobárico significa igual presión.

También es posible estudiar los procesos isobáricos que se producen en el seno del aire húmedo. En estos procesos, una muestra de aire húmedo se calienta o se enfría a presión constante, sin añadirle ni quitarle vapor de agua. Además, se supone que el vapor de agua permanece en estado gaseoso.

Si el aire se enfría isobáricamente (a presión constante), alcanzará una temperatura para la cual estará saturado. Esta temperatura se llama temperatura del punto de rocío o simplemente punto de rocío.

Por lo tanto, se puede definir la temperatura del punto de rocío como la temperatura a la cual hay que llevar, por enfriamiento a presión constante, una muestra de aire húmedo hasta que se sature. Si la temperatura de enfriamiento es menor que la del punto de rocío se produce la condensación.

Proceso adiabático

El enfriamiento hasta la condensación es frecuentemente el resultado de una variación de presión del aire húmedo. En este caso no se trata, pues, de un proceso isobárico.

Hay procesos en los cuales la presión, la temperatura y el volumen del gas pueden variar sin que hubiese intercambio de calor entre la masa de aire considerada y el medio que la rodea. Se trataba del proceso adiabático.

Tales procesos se producen algunas veces cuando una partícula de aire húmedo se desplaza verticalmente hacia niveles de presión más alta o más baja. En particular, el enfriamiento adiabático puede ocurrir cuando el aire asciende. En este caso, el aire puede alcanzar la saturación y todo enfriamiento suplementario supone la condensación del vapor de agua y la formación de nubes.

Proceso de congelación

Sin agitarla, el agua pura líquida puede ser enfriada a una temperatura menor que la de su punto de congelación ( O℃ ) y permanecer todavía en estado liquido. En este caso se dice que el agua está subfundida (agua subenfriada).

Un cristal de hielo u otro germen de cristalización cualquiera, introducido en el agua subfundida, provoca la congelación. También puede producir el mismo resultado un choque.

Experimentos efectuados en laboratorio muestran que las gotitas de agua subfundida pueden existir hasta temperaturas de -40°C, aproximadamente. Por debajo de esta temperatura, el agua se hiela incluso sin núcleos de congelación.

Proceso de sublimación

El proceso por el cual el vapor de agua se transforma directamente en hielo sin pasar por el estado intermedio líquido, se llama sublimación. Este término también se utiliza para describir el proceso inverso, es decir, la transformación del hielo en vapor.

La sublimación no es un fenómeno tan común como el de la condensación. Los núcleos sobre los cuales se produce la sublimación son menos numerosos que los núcleos de condensación. Se les denomina núcleos de sublimación.

La tensión de vapor de saturación sobre el hielo a la misma temperatura es ligeramente menor que la tensión de vaporación de saturación sobre el agua subfundida.

Por ejemplo, a - 20℃ las tensiones de vapor de saturación sobre superficies planas de agua líquido y de hielo son, respectivamente, 1, 254hPa y 1,032 .

A 0°C son, respectivamente, 6,107 y 6, 106hPa.