Nube mammatus

Mammatus (también llamado mamma ^{[ 1 ]} o mammatocumulus , que significa "nube mamaria") es un patrón celular de sacos que cuelgan debajo de la base de una nube , típicamente una nube de lluvia cumulonimbus , aunque pueden estar unidos a otras clases de nubes madre. El nombre mammatus deriva del latín mamma (que significa " ubre " o " pecho ").

Según el Atlas Internacional de Nubes de la OMM , la mamma es una característica suplementaria de las nubes, no un género, especie o variedad de nube. Las distintivas partes inferiores "grumosas" se forman cuando el aire frío desciende, creando bolsas que contrastan con las nubes ascendentes causadas por la convección del aire cálido. Estas formaciones fueron descritas por primera vez en 1894 por William Clement Ley . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

Las estelas de condensación (mammatus) se asocian con mayor frecuencia a nubes de yunque y también a tormentas severas. Suelen extenderse desde la base de una nube cumulonimbo , pero también pueden encontrarse bajo altostratos y cirros , así como bajo nubes de ceniza volcánica. ^{[ 4 ]} Cuando ocurren en cumulonimbos, las estelas de condensación suelen indicar una tormenta particularmente fuerte. Debido al entorno de intensa cizalladura en el que se forman las estelas de condensación, se advierte encarecidamente a los aviadores que eviten los cumulonimbos con este tipo de estelas, ya que indican turbulencia inducida por convección. ^{[ 5 ]} Las estelas de condensación también pueden producir lóbulos, pero estos se denominan incorrectamente estelas de condensación. ^{[ 1 ]}

Los mammatus pueden aparecer como lóbulos lisos, irregulares o abultados, y pueden ser opacos o translúcidos. Debido a que se presentan como agrupaciones de lóbulos, su forma de agruparse puede variar desde un grupo aislado hasta un campo de mammas que se extiende por cientos de kilómetros, o bien estar organizados a lo largo de una línea, y pueden estar compuestos por lóbulos de tamaño desigual o similar. Los lóbulos individuales de mammatus tienen un diámetro promedio de 1 a 3 kilómetros (0,6 a 1,9 millas) y una longitud promedio de 0,5 kilómetros (0,3 millas ) . Un lóbulo puede durar un promedio de 10 minutos, pero un grupo completo de mammas puede durar desde 15 minutos hasta varias horas. Generalmente están compuestos de hielo, pero también pueden ser una mezcla de hielo y agua líquida o estar compuestos casi en su totalidad de agua líquida.  

Fieles a su aspecto ominoso, las nubes mammatus suelen ser presagio de una tormenta inminente u otro fenómeno meteorológico extremo. Compuestas principalmente de hielo, pueden extenderse cientos de kilómetros en cada dirección y las formaciones individuales pueden permanecer visiblemente estáticas durante diez o quince minutos. Generalmente aparecen antes, durante o incluso después de un temporal severo.

La existencia de muchos tipos diferentes de nubes mammatus, cada una con propiedades distintas y que se producen en entornos distintos, ha dado lugar a múltiples hipótesis sobre su formación, que también son relevantes para otras formas de nubes. ^{[ 4 ] [ 6 ]}

Una tendencia ambiental es común a todos los mecanismos de formación hipotetizados para las nubes mammatus: fuertes gradientes de temperatura, humedad y momento ( cizalladura del viento ) a través del límite entre la nube de yunque y la capa de aire subnube, que influyen notablemente en las interacciones dentro de ella. A continuación se presentan los mecanismos propuestos, cada uno descrito con sus limitaciones:

• El yunque de una nube cumulonimbus se hunde gradualmente a medida que se extiende desde su nube de origen. A medida que el aire desciende, se calienta. Sin embargo, el aire nuboso se calienta más lentamente (con el gradiente adiabático húmedo ) que el aire seco bajo la nube (con el gradiente adiabático seco ). Debido al calentamiento diferencial, la capa nube/subnube se desestabiliza y puede producirse una convección , creando una base de nube irregular. Los problemas con esta teoría son que existen observaciones de lóbulos mammatus que no respaldan la presencia de una fuerte subsidencia en los lóbulos, y que es difícil separar los procesos de caída de hidrometeoros y subsidencia de la base de la nube, lo que hace que no esté claro si alguno de los dos procesos está ocurriendo.
• El enfriamiento debido a la caída de hidrometeoros es un segundo mecanismo de formación propuesto. A medida que los hidrometeoros caen en el aire seco bajo las nubes, el aire que contiene la precipitación se enfría debido a la evaporación o sublimación . Al ser ahora más frío que el aire ambiente e inestable, descienden hasta alcanzar el equilibrio estático, momento en el que una fuerza restauradora curva los bordes de la precipitación hacia arriba, creando la apariencia lobulada. Un problema con esta teoría es que las observaciones muestran que la evaporación en la base de las nubes no siempre produce mammatus. Este mecanismo podría ser responsable de la etapa inicial de desarrollo, pero otros procesos (en particular el proceso 1, mencionado anteriormente) podrían entrar en juego a medida que los lóbulos se forman y maduran.
• También puede producirse una desestabilización en la base de las nubes debido al deshielo. Si la base de la nube se encuentra cerca de la línea de congelación, el enfriamiento del aire circundante causado por el deshielo puede provocar una circulación convectiva, al igual que en los procesos descritos anteriormente. Sin embargo, este entorno de temperatura tan estricto no siempre está presente.
• Los procesos descritos anteriormente se basaban específicamente en la desestabilización de la capa subnubosa debido a efectos de calentamiento adiabático o latente . Si se descartan los efectos termodinámicos de la caída de hidrometeoros, otro mecanismo propone que la dinámica de la caída por sí sola es suficiente para crear los lóbulos. Las inhomogeneidades en las masas de los hidrometeoros a lo largo de la base de la nube pueden causar un descenso no homogéneo a lo largo de la base. El arrastre por fricción y las estructuras asociadas similares a remolinos crean la apariencia lobulada de la caída. El principal inconveniente de esta teoría es que se ha observado que las velocidades verticales en los lóbulos son mayores que las velocidades de caída de los hidrometeoros dentro de ellos; por lo tanto, también debería existir una fuerza dinámica descendente.
• Otro método, propuesto inicialmente por Kerry Emanuel , se denomina inestabilidad por desprendimiento de la base de las nubes (CDI, por sus siglas en inglés), que se comporta de forma muy similar al arrastre convectivo de la cima de las nubes . En la CDI, el aire nuboso se mezcla con el aire seco bajo las nubes en lugar de precipitarse en él. La capa nubosa se desestabiliza debido al enfriamiento por evaporación y se forman mammatus.

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  Las nubes experimentan una reorganización térmica debido a los efectos radiativos a medida que evolucionan. Existen varias teorías sobre cómo la radiación puede provocar la formación de nubes mammatus. Una de ellas plantea que, debido a que las nubes se enfrían radiativamente ( ley de Stefan-Boltzmann ) de manera muy eficiente en sus cimas, pueden penetrar bolsas enteras de nubes frías y con flotabilidad negativa a través de toda la capa y emerger como nubes mammatus en la base. Otra teoría sugiere que, a medida que la base de la nube se calienta debido al calentamiento radiativo de la emisión de onda larga de la superficie terrestre, la base se desestabiliza y se invierte. Este método solo es válido para nubes ópticamente densas . Sin embargo, las nubes de yunque están compuestas principalmente de hielo y, por lo tanto, son relativamente delgadas ópticamente.
• Se propone que las ondas gravitatorias sean el mecanismo de formación de las nubes mammatus organizadas linealmente. De hecho, se han observado patrones de ondas en el entorno de las mammatus, pero esto se debe principalmente a la creación de ondas gravitatorias como respuesta a una corriente ascendente convectiva que incide sobre la tropopausa y se propaga en forma de onda por toda la región del yunque. Por lo tanto, este método no explica la prevalencia de las nubes mammatus en una parte del yunque en comparación con otra. Además, las escalas de tiempo y tamaño de las ondas gravitatorias y las mammatus no coinciden del todo. Es posible que los trenes de ondas gravitatorias sean responsables de la organización de las mammatus en lugar de su formación. ^{[ 7 ]}
• La inestabilidad de Kelvin-Helmholtz (K-H) es frecuente en los límites de las nubes y da lugar a la formación de protuberancias ondulatorias (denominadas ondulaciones de Kelvin-Helmholtz) en dichos límites. Las nubes mammatus no presentan la forma de ondulaciones KH; por lo tanto, se propone que la inestabilidad puede desencadenar la formación de las protuberancias, pero que otro proceso debe transformarlas en lóbulos. Sin embargo, el principal inconveniente de esta teoría es que la inestabilidad KH se produce en un entorno estratificado estable , mientras que el entorno de las nubes mammatus suele ser, al menos en cierta medida, turbulento .
• La inestabilidad de Rayleigh-Taylor es el nombre que recibe la inestabilidad que existe entre dos fluidos de densidades diferentes, cuando el más denso se encuentra sobre el menos denso. En la interfaz entre la base de una nube y la subnube, el aire más denso, cargado de hidrometeoros, podría mezclarse con el aire menos denso de la subnube. Esta mezcla daría lugar a la formación de nubes mammatus. El problema físico de este método propuesto radica en que una inestabilidad que existe en una interfaz estática no necesariamente puede aplicarse a la interfaz entre dos flujos atmosféricos sometidos a cizallamiento .
• El último mecanismo de formación propuesto plantea que las nubes mammatus surgen de la convección de Rayleigh-Bénard , donde el calentamiento diferencial (enfriamiento en la parte superior y calentamiento en la inferior) de una capa provoca una inversión convectiva. Sin embargo, en el caso de las nubes mammatus, la base se enfría mediante los mecanismos termodinámicos mencionados anteriormente. A medida que la base de la nube desciende, lo hace a la escala de los lóbulos de la nube mammatus, mientras que, adyacente a estos, se produce un ascenso compensatorio. Este método no ha demostrado ser consistente desde el punto de vista observacional y se considera, en general, poco sólido.

Esta abundancia de mecanismos de formación propuestos demuestra, entre otras cosas, que la nube mammatus es, en general, poco comprendida. ^{[ 1 ] [ 8 ]}

• Vídeo a cámara rápida de la formación de las nubes Mammatus
• Nubes mammatus sobre Hastings, Nebraska.
• Estructuras colgantes en forma de bolsa de Mammatus Clouds
• Imagen astronómica del día de la NASA: Nubes Mammatus sobre México (30 de diciembre de 2007)
• Nubes Mammatus sobre St Albans, Hertfordshire, Reino Unido, el 12 de agosto de 2008, en el sitio web de BBC News. 21 de agosto de 2008