Proceso de Wegener-Bergeron-Findeisen

El proceso de Wegener-Bergeron-Findeisen (llamado así por Alfred Wegener , Tor Bergeron y Walter Findeisen ), o «proceso de lluvia fría», es un proceso de crecimiento de cristales de hielo que ocurre en nubes de fase mixta (que contienen una mezcla de agua subenfriada y hielo) en regiones donde la presión de vapor ambiental cae entre la presión de vapor de saturación sobre el agua y la presión de vapor de saturación más baja sobre el hielo. Este es un entorno subsaturado para el agua líquida pero sobresaturado para el hielo, lo que resulta en una rápida evaporación del agua líquida y un rápido crecimiento de los cristales de hielo por deposición de vapor . Si la densidad numérica del hielo es pequeña en comparación con el agua líquida, los cristales de hielo pueden crecer lo suficiente como para caer de la nube, derritiéndose y formando gotas de lluvia si las temperaturas en los niveles inferiores son lo suficientemente cálidas.

El proceso de Wegener-Bergeron-Findeisen, si es que ocurre, es mucho más eficiente en la producción de partículas grandes que el crecimiento de gotas más grandes a expensas de las más pequeñas, ya que la diferencia en la presión de saturación entre el agua líquida y el hielo es mayor que el aumento de la presión de saturación sobre gotas pequeñas (para gotas lo suficientemente grandes como para contribuir considerablemente a la masa total). Para otros procesos que afectan el tamaño de las partículas, consulte la física de la lluvia y las nubes .

El principio del crecimiento del hielo mediante la deposición de vapor sobre cristales de hielo a expensas del agua fue teorizado por primera vez por el científico alemán Alfred Wegener en 1911 mientras estudiaba la formación de escarcha . Wegener planteó la hipótesis de que si este proceso ocurría en las nubes y los cristales crecían lo suficiente como para precipitarse, podría ser un mecanismo de precipitación viable. Si bien su trabajo sobre el crecimiento de cristales de hielo atrajo cierta atención, transcurrieron otros 10 años antes de que se reconociera su aplicación a la precipitación. ^{[ 1 ]}

En el invierno de 1922, Tor Bergeron hizo una curiosa observación mientras caminaba por el bosque. Notó que en los días en que la temperatura estaba bajo cero, la capa de estratos que normalmente cubría la ladera se detenía en la parte superior de la copa de los árboles en lugar de extenderse hasta el suelo como ocurría en los días en que la temperatura estaba por encima de cero. Conociendo los trabajos previos de Wegener, Bergeron teorizó que los cristales de hielo en las ramas de los árboles estaban absorbiendo el vapor de la nube de estratos superenfriada , impidiendo que llegara al suelo.

En 1933, Bergeron fue seleccionado para asistir a la reunión de la Unión Internacional de Geodesia y Geofísica en Lisboa, Portugal, donde presentó su teoría de los cristales de hielo. En su ponencia, afirmó que si la población de cristales de hielo era significativamente pequeña en comparación con las gotas de agua líquida, los cristales de hielo podrían crecer lo suficiente como para caer (hipótesis original de Wegener). Bergeron teorizó que este proceso podría ser responsable de toda la lluvia, incluso en climas tropicales, una afirmación que generó bastante controversia entre los científicos de latitudes tropicales y medias. A finales de la década de 1930, el meteorólogo alemán Walter Findeisen amplió y perfeccionó el trabajo de Bergeron mediante investigaciones teóricas y experimentales.

La condición de que el número de gotitas sea mucho mayor que el de cristales de hielo depende de la fracción de núcleos de condensación de nubes que posteriormente (en la parte superior de la nube) actuarán como núcleos de hielo . Alternativamente, una corriente ascendente adiabática debe ser lo suficientemente rápida como para que una alta sobresaturación provoque la nucleación espontánea de muchas más gotitas que núcleos de condensación de nubes presentes. En cualquier caso, esto debería ocurrir no muy por debajo del punto de congelación, ya que esto causaría la nucleación directa del hielo. El crecimiento de las gotitas impediría que la temperatura alcanzara pronto el punto de nucleación rápida de cristales de hielo .

La mayor sobresaturación con respecto al hielo, una vez presente, provoca que crezca rápidamente, extrayendo así agua de la fase de vapor. Si la presión de vapor${\displaystyle p}$cae por debajo de la presión de saturación con respecto al agua líquida${\displaystyle p_{w}}$, las gotitas dejarán de crecer. Esto puede no ocurrir si${\displaystyle p_{w}}$en sí mismo está cayendo rápidamente, dependiendo de la pendiente de la curva de saturación, el gradiente térmico y la velocidad de la corriente ascendente; o si la caída de${\displaystyle p}$Es un proceso lento, que depende del número y el tamaño de los cristales de hielo. Si la corriente ascendente es demasiado rápida, todas las gotitas terminarían congelándose en lugar de evaporarse.

Se encuentra un límite similar en una corriente descendente. El agua líquida se evapora, lo que provoca la presión de vapor.${\displaystyle p}$aumentar, pero si la presión de saturación con respecto al hielo${\displaystyle p_{i}}$Si la corriente descendente asciende demasiado rápido, todo el hielo se derretiría antes de que se hayan formado grandes cristales de hielo.

Korolev y Mazin ^{[ 2 ]} derivaron expresiones para la velocidad crítica de corriente ascendente y descendente:

${\displaystyle u_{up}={\frac {p_{w}-p_{i}}{p_{i}}}\eta N_{i}{\bar {r_{i}}}\,}$

${\displaystyle u_{dn}={\frac {p_{i}-p_{w}}{p_{w}}}\chi N_{w}{\bar {r_{w}}}\,}$

dónde${\displaystyle \eta }$y${\displaystyle \chi }$son coeficientes que dependen de la temperatura y la presión,${\displaystyle N_{i}}$y${\displaystyle N_{w}}$son las densidades numéricas de partículas de hielo y líquido (respectivamente), y${\displaystyle {\bar {r_{i}}}}$y${\displaystyle {\bar {r_{w}}}}$son el radio medio de las partículas de hielo y líquido (respectivamente).

Para valores de${\displaystyle N_{i}{\bar {r_{i}}}}$típico de las nubes,${\displaystyle u_{arriba}}$varía desde unos pocos cm/s hasta unos pocos m/s. Estas velocidades pueden producirse fácilmente por convección, ondas o turbulencia, lo que indica que no es raro que tanto el agua líquida como el hielo crezcan simultáneamente. En comparación, para valores típicos de${\displaystyle N_{w}{\bar {r_{w}}}}$Se requieren velocidades de corriente descendente mayores que unos pocos m/s para que tanto el líquido como el hielo se contraigan simultáneamente. ^{[ 3 ]} Estas velocidades son comunes en corrientes descendentes convectivas, pero no son típicas de las nubes estratos.

La forma más común de formación de un cristal de hielo comienza con un núcleo de hielo en la nube. Los cristales de hielo pueden formarse por deposición heterogénea , contacto, inmersión o congelación tras condensación. En la deposición heterogénea, un núcleo de hielo simplemente se recubre de agua. En el caso del contacto, los núcleos de hielo chocan con gotas de agua que se congelan al impactar. En la congelación por inmersión, todo el núcleo de hielo queda cubierto de agua líquida. ^{[ 4 ]}

El agua se congela a diferentes temperaturas según el tipo de núcleos de hielo presentes. Los núcleos de hielo hacen que el agua se congele a temperaturas más altas de las que lo haría espontáneamente. Para que el agua pura se congele espontáneamente, lo que se denomina nucleación homogénea , la temperatura de las nubes tendría que ser de −35 °C (−31 °F) . ^{[ 5 ]} Aquí hay algunos ejemplos de núcleos de hielo:  

A medida que los cristales de hielo crecen, pueden chocar entre sí, astillarse y fracturarse, dando lugar a la formación de muchos cristales de hielo nuevos. Existen diversas formas de cristales de hielo que pueden chocar entre sí. Estas formas incluyen hexágonos, cubos, columnas y dendritas. Este proceso es conocido como "crecimiento de hielo" por los físicos y químicos atmosféricos. ^{[ 6 ]}

El proceso por el cual los cristales de hielo se adhieren entre sí se denomina agregación. Esto ocurre cuando los cristales de hielo son resbaladizos o pegajosos a temperaturas de -5 °C (23 °F) o superiores, debido a una capa de agua que los rodea. Los cristales de hielo, de diferentes tamaños y formas, caen a distintas velocidades terminales y suelen chocar y adherirse.  

La acreción (o formación de escarcha) ocurre cuando un cristal de hielo choca con gotas de agua subenfriada. Las gotas se congelan al impactar y pueden formar granizo blando . Si el viento reintroduce el granizo blando formado en la nube, puede seguir creciendo y volviéndose más denso, hasta convertirse finalmente en granizo . ^{[ 6 ]}

Con el tiempo, este cristal de hielo alcanzará el peso suficiente para caer. Incluso podría colisionar con otros cristales de hielo y crecer aún más mediante coalescencia , agregación o acreción.

El proceso de Wegener-Bergeron-Findeisen suele producir precipitaciones. A medida que los cristales crecen y caen, atraviesan la base de la nube, que puede estar por encima del punto de congelación. Esto provoca que los cristales se derritan y caigan en forma de lluvia. También puede haber una capa de aire por debajo del punto de congelación bajo la base de la nube , lo que hace que la precipitación se vuelva a congelar en forma de gránulos de hielo . De manera similar, la capa de aire por debajo del punto de congelación puede estar en la superficie, lo que provoca que la precipitación caiga en forma de lluvia helada . El proceso también puede resultar en la ausencia de precipitación, evaporándose antes de llegar al suelo, en el caso de la formación de virga .

• Lista de temas de meteorología
• Precipitación (meteorología)
• Coalescencia (meteorología)
• núcleo de hielo
• Hielo
• Nucleación
• deposición física de vapor
• Presión de vapor de saturación

• Wallace, John M. y Peter V. Hobbs: Ciencia atmosférica , 2006, ISBN 0-12-732951-X.
• Yau, MK y Rodgers, RR: "Un breve curso de física de las nubes", 1989, ISBN 0-7506-3215-1.

• Demostración del proceso de Bergeron