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vapor de agua

La cantidad de vapor de agua en la atmósfera terrestre ha aumentado en las últimas décadas, [ 1 ] haciendo que los eventos de lluvias intensas sean más severos. [ 2 ] El vapor d...

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La cantidad de vapor de agua en la atmósfera terrestre ha aumentado en las últimas décadas, [ 1 ] haciendo que los eventos de lluvias intensas sean más severos. [ 2 ]

El vapor de agua , también conocido como vapor acuoso , es la fase gaseosa del agua . Es uno de los estados del agua dentro de la hidrosfera . El vapor de agua puede producirse por la evaporación o ebullición del agua líquida o por la sublimación del hielo . El vapor de agua es transparente, como la mayoría de los componentes de la atmósfera. [ 3 ] En condiciones atmosféricas típicas, el vapor de agua se genera continuamente por evaporación y se elimina por condensación . Es menos denso que la mayoría de los demás componentes del aire y desencadena corrientes de convección que pueden dar lugar a nubes y niebla.

Como componente de la hidrosfera y el ciclo hidrológico de la Tierra, es particularmente abundante en la atmósfera terrestre , donde actúa como gas de efecto invernadero y contribuye al calentamiento global, aportando más al efecto invernadero total que gases no condensables como el dióxido de carbono y el metano . El uso del vapor de agua, en forma de vapor , ha sido importante para cocinar y como componente principal en los sistemas de producción y transporte de energía desde la Revolución Industrial .

El vapor de agua es un componente atmosférico relativamente común, presente incluso en la atmósfera solar , así como en todos los planetas del Sistema Solar y en muchos objetos astronómicos, incluyendo satélites naturales , cometas e incluso grandes asteroides . De igual modo, la detección de vapor de agua extrasolar indicaría una distribución similar en otros sistemas planetarios. El vapor de agua también puede ser una evidencia indirecta que respalda la presencia de agua líquida extraterrestre en el caso de algunos objetos de masa planetaria.

El vapor de agua, que reacciona a los cambios de temperatura, se denomina " retroalimentación " porque amplifica el efecto de las fuerzas que inicialmente causan el calentamiento. Por lo tanto, es un gas de efecto invernadero. [ 4 ]

Propiedades

Evaporación

Cuando una molécula de agua abandona una superficie y se difunde en un gas circundante, se dice que se ha evaporado . Cada molécula de agua que transita entre un estado más asociado (líquido) y uno menos asociado (vapor/gas) lo hace mediante la absorción o liberación de energía cinética . La medición agregada de esta transferencia de energía cinética se define como energía térmica y ocurre solo cuando hay una diferencia en la temperatura de las moléculas de agua. El agua líquida que se convierte en vapor de agua se lleva consigo una porción de calor, en un proceso llamado enfriamiento evaporativo . [ 5 ] La cantidad de vapor de agua en el aire determina con qué frecuencia las moléculas regresarán a la superficie. Cuando ocurre una evaporación neta, el cuerpo de agua experimentará un enfriamiento neto directamente relacionado con la pérdida de agua.

En Estados Unidos, el Servicio Meteorológico Nacional mide la tasa real de evaporación de una superficie de agua abierta estandarizada en forma de bandeja, en diversas ubicaciones del país. Otros países hacen lo mismo en todo el mundo. Los datos de Estados Unidos se recopilan y compilan en un mapa anual de evaporación. [ 6 ] Las mediciones varían desde menos de 30 hasta más de 120  pulgadas por año. Se pueden usar fórmulas para calcular la tasa de evaporación de una superficie de agua como una piscina. [ 7 ] [ 8 ] En algunos países, la tasa de evaporación supera con creces la tasa de precipitación .

El enfriamiento por evaporación está limitado por las condiciones atmosféricas . La humedad es la cantidad de vapor de agua en el aire. El contenido de vapor del aire se mide con dispositivos conocidos como higrómetros . Las mediciones se expresan generalmente como humedad específica o porcentaje de humedad relativa . Las temperaturas de la atmósfera y de la superficie del agua determinan la presión de vapor de equilibrio; la humedad relativa del 100 % se produce cuando la presión parcial del vapor de agua es igual a la presión de vapor de equilibrio. Esta condición se conoce a menudo como saturación completa. La humedad varía desde 0  gramos por metro cúbico en aire seco hasta 30  gramos por metro cúbico (0,03 onzas por pie cúbico) cuando el vapor está saturado a 30  °C. [ 9 ]

Recuperación de meteoritos en la Antártida ( ANSMET )
Micrografía electrónica de tejido capilar criograbado

Sublimación

La sublimación es el proceso por el cual las moléculas de agua abandonan directamente la superficie del hielo sin convertirse primero en agua líquida. La sublimación explica la lenta desaparición del hielo y la nieve a mediados del invierno, cuando las temperaturas son demasiado bajas para provocar el derretimiento. La Antártida muestra este efecto de forma singular, ya que es, con diferencia, el continente con la menor tasa de precipitación del planeta. [ 10 ] Como resultado, existen grandes áreas donde capas milenarias de nieve se han sublimado, dejando atrás los materiales no volátiles que contenían. Esto es de gran valor para ciertas disciplinas científicas; un ejemplo notable es la colección de meteoritos que se encuentran expuestos en cantidades sin precedentes y en excelente estado de conservación.

La sublimación es importante en la preparación de ciertos tipos de muestras biológicas para microscopía electrónica de barrido . Normalmente, las muestras se preparan mediante criofijación y criofractura , tras lo cual la superficie fracturada se somete a criograbado, erosionándose mediante exposición al vacío hasta que muestra el nivel de detalle requerido. [ 11 ] Esta técnica permite visualizar moléculas de proteínas, estructuras de orgánulos y bicapas lipídicas con muy baja distorsión.

Condensación

Nubes formadas por vapor de agua condensado

El vapor de agua solo se condensará sobre otra superficie cuando esa superficie esté más fría que la temperatura del punto de rocío , o cuando se haya superado el equilibrio del vapor de agua en el aire. Cuando el vapor de agua se condensa sobre una superficie, se produce un calentamiento neto en esa superficie. [ 12 ] La molécula de agua lleva consigo energía térmica. A su vez, la temperatura de la atmósfera desciende ligeramente. [ 13 ] En la atmósfera, la condensación produce nubes, niebla y precipitación (generalmente solo cuando se facilita mediante núcleos de condensación de nubes ). El punto de rocío de una parcela de aire es la temperatura a la que debe enfriarse antes de que el vapor de agua en el aire comience a condensarse. La condensación en la atmósfera forma gotitas de nubes.

Además, se produce una condensación neta de vapor de agua en las superficies cuando la temperatura de la superficie es igual o inferior al punto de rocío de la atmósfera. La deposición es una transición de fase distinta de la condensación que da lugar a la formación directa de hielo a partir del vapor de agua. La escarcha y la nieve son ejemplos de deposición.

Existen varios mecanismos de enfriamiento por los cuales ocurre la condensación: 1) Pérdida directa de calor por conducción o radiación. 2) Enfriamiento por la caída de presión atmosférica que ocurre con el ascenso del aire, también conocido como enfriamiento adiabático . El aire puede ser elevado por las montañas, que desvían el aire hacia arriba, por convección y por frentes fríos y cálidos. 3) Enfriamiento advectivo: enfriamiento debido al movimiento horizontal del aire.

Importancia y usos

  • Proporciona agua para plantas y animales: El vapor de agua se convierte en lluvia y nieve, que sirven como fuente natural de agua para plantas y animales.
  • Controla la evaporación: El exceso de vapor de agua en el aire disminuye la tasa de evaporación.
  • Determina las condiciones climáticas: El exceso de vapor de agua en el aire produce lluvia, niebla, nieve, etc. Por lo tanto, determina las condiciones climáticas.

Reacciones químicas

Varias reacciones químicas producen agua. Si las reacciones tienen lugar a temperaturas superiores al punto de rocío del aire circundante, el agua se formará en forma de vapor y aumentará la humedad local; si se producen por debajo del punto de rocío, se producirá condensación local. Las reacciones típicas que dan lugar a la formación de agua son la combustión de hidrógeno o hidrocarburos en el aire u otras mezclas de gases que contienen oxígeno , o como resultado de reacciones con oxidantes.

De manera similar, en presencia de vapor de agua pueden tener lugar otras reacciones químicas o físicas que dan lugar a la formación de nuevos productos químicos, como el óxido en el hierro o el acero, la polimerización (ciertas espumas de poliuretano y pegamentos de cianoacrilato se curan al exponerse a la humedad atmosférica) o cambios de forma, como cuando los productos químicos anhidros pueden absorber suficiente vapor para formar una estructura cristalina o alterar una existente, lo que a veces produce cambios de color característicos que pueden utilizarse para su medición .

Medición

La medición de la cantidad de vapor de agua en un medio puede realizarse de forma directa o remota con distintos grados de precisión. Los métodos remotos, como la absorción electromagnética, son posibles desde satélites que orbitan atmósferas planetarias. Los métodos directos pueden utilizar transductores electrónicos, termómetros de humedad o materiales higroscópicos para medir cambios en las propiedades físicas o las dimensiones.

Impacto en la densidad del aire

El vapor de agua es más ligero o menos denso que el aire seco . [ 15 ] [ 16 ] A temperaturas equivalentes, es menos denso que el aire seco, ya que la densidad del aire seco a temperatura y presión estándar (273,15 K, 101,325 kPa) es de 1,27  g/L y el vapor de agua a temperatura estándar tiene una presión de vapor de 0,6 kPa y una densidad mucho menor de 0,0048  g/L.

Cálculos

Cálculos de la densidad del vapor de agua y del aire seco a 0 °C (32 °F) :  

  • La masa molar del agua es 18,02 g/mol , calculada a partir de la suma de las masas atómicas de sus átomos constituyentes . [ 17 ]
  • La masa molar promedio del aire (aprox. 78% de nitrógeno ( N₂ ) ; 21% de oxígeno ( O₂ ) ; 1% de otros gases) es28,57  g/mol en condiciones normales de temperatura y presión ( CNTP ).
  • Según la ley de Avogadro y la ley de los gases ideales , el aire húmedo tendrá una densidad menor que el aire seco. En la saturación máxima (es decir, humedad relativa = 100% a 0 °C (32 °F) ), la densidad disminuirá hasta  28,51  g/mol .
  • Las condiciones STP implican una temperatura de 0 °C (32 °F) , a la cual la capacidad del agua para convertirse en vapor está muy restringida. Su concentración en el aire es muy baja a 0 °C (32 °F) . La línea roja en el gráfico de la derecha es la concentración máxima de vapor de agua esperada para una temperatura dada. La concentración de vapor de agua aumenta significativamente a medida que sube la temperatura, acercándose al 100 % ( vapor , vapor de agua puro) a 100 °C (212 °F) . Sin embargo, la diferencia de densidades entre el aire y el vapor de agua seguiría existiendo (      0,598  g/L frente a1,27  g/L ).

A temperaturas iguales

A la misma temperatura, una columna de aire seco será más densa o pesada que una columna de aire que contenga vapor de agua, ya que la masa molar del nitrógeno diatómico y del oxígeno diatómico es mayor que la del agua. Por lo tanto, cualquier volumen de aire seco se hundirá si se coloca en un volumen mayor de aire húmedo. Asimismo, un volumen de aire húmedo ascenderá o flotará si se coloca en una región mayor de aire seco. A medida que aumenta la temperatura, la proporción de vapor de agua en el aire se incrementa, y con ella, su flotabilidad. Este aumento de la flotabilidad puede tener un impacto atmosférico significativo, generando potentes corrientes de aire ascendentes ricas en humedad cuando la temperatura del aire y del mar alcanzan los 25  °C o más. Este fenómeno constituye una fuerza impulsora importante para los sistemas meteorológicos ciclónicos y anticiclónicos (tifones y huracanes).

Respiración y respiración

El vapor de agua es un subproducto de la respiración en plantas y animales. Su contribución a la presión aumenta a medida que aumenta su concentración. Su contribución a la presión atmosférica , como presión parcial , aumenta, disminuyendo la contribución a la presión parcial de los demás gases atmosféricos (Ley de Dalton) . La presión atmosférica total debe permanecer constante. La presencia de vapor de agua en el aire diluye o desplaza naturalmente los demás componentes del aire a medida que aumenta su concentración.

Esto puede afectar la respiración. En ambientes muy cálidos (35  °C), la proporción de vapor de agua es lo suficientemente grande como para provocar la sensación de bochorno que se experimenta en condiciones de selva húmeda o en edificios mal ventilados.

Gas de elevación

El vapor de agua tiene menor densidad que el aire y, por lo tanto, flota en él, pero su presión de vapor es menor. Cuando un dirigible térmico utiliza vapor de agua como gas de sustentación, este se calienta hasta convertirse en vapor, de modo que su presión de vapor sea mayor que la del aire circundante para mantener la forma de un "globo de vapor" teórico, que proporciona aproximadamente el 60 % de la sustentación del helio y el doble que la del aire caliente. [ 18 ]

Discusión general

La cantidad de vapor de agua en la atmósfera está limitada por las presiones parciales y la temperatura. La temperatura del punto de rocío y la humedad relativa sirven como parámetros para el ciclo del agua . La energía, como la luz solar, puede aumentar la evaporación en la superficie del océano o la sublimación en un bloque de hielo en la cima de una montaña. El equilibrio entre la condensación y la evaporación da como resultado la presión parcial de vapor .

La presión parcial máxima ( presión de saturación ) del vapor de agua en el aire varía con la temperatura de la mezcla de aire y vapor de agua. Existen diversas fórmulas empíricas para esta magnitud; la fórmula de referencia más utilizada es la ecuación de Goff-Gratch para la presión de vapor de agua sobre agua líquida por debajo de cero grados Celsius:

registro10⁡(pag)=−7.90298(373.16T−1)+5.02808registro10⁡373.16T−1.3816×10−7(1011.344(1−T373.16)−1)+8.1328×10−3(10−3.49149(373.16T−1)−1)+registro10⁡(1013.246){\displaystyle {\begin{aligned}\log _{10}\left(p\right)=&-7.90298\left({\frac {373.16}{T}}-1\right)+5.02808\log _{10}{\frac {373.16}{T}}\\&-1.3816\times 10^{-7}\left(10^{11.344\left(1-{\frac {T}{373.16}}\right)}-1\right)\\&+8.1328\times 10^{-3}\left(10^{-3.49149\left({\frac {373.16}{T}}-1\right)}-1\right)\\&+\log _{10}\left(1013.246\right)\end{aligned}}}

donde T , la temperatura del aire húmedo, se da en unidades de kelvin , y p se da en unidades de milibares ( hectopascales ).

La fórmula es válida aproximadamente entre -50 y 102  °C; sin embargo, existen muy pocas mediciones de la presión de vapor del agua sobre agua líquida subenfriada. Hay otras fórmulas que se pueden utilizar. [ 19 ]

En determinadas condiciones, como cuando el agua alcanza su punto de ebullición, siempre se produce una evaporación neta en condiciones atmosféricas normales, independientemente del porcentaje de humedad relativa. Este proceso inmediato disipa grandes cantidades de vapor de agua en una atmósfera más fría.

El aire exhalado se encuentra casi en equilibrio con el vapor de agua a la temperatura corporal. En el aire frío, el vapor exhalado se condensa rápidamente, manifestándose como una neblina o bruma de gotitas de agua y como condensación o escarcha en las superficies. La condensación forzada de estas gotitas de agua del aliento exhalado constituye la base del análisis del condensado del aliento , una prueba diagnóstica médica en constante desarrollo.

Controlar el vapor de agua en el aire es fundamental en la industria de la calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC). El confort térmico depende de la humedad del aire. Las condiciones de confort no humanas, como la refrigeración , también se ven afectadas por el vapor de agua. Por ejemplo, muchos establecimientos de alimentación, como los supermercados, utilizan vitrinas refrigeradas abiertas, lo que puede reducir significativamente la presión del vapor de agua (disminuyendo la humedad). Esta práctica ofrece tanto ventajas como inconvenientes.

En la atmósfera terrestre

Existen pruebas de que la cantidad de vapor de agua estratosférico ha aumentado con el tiempo en Boulder, Colorado.

El agua gaseosa representa un componente pequeño pero ambientalmente significativo de la atmósfera . El porcentaje de vapor de agua en el aire superficial varía de 0,01 % a −42 °C (−44 °F) [ 20 ] a 4,24 % cuando el punto de rocío es de 30 °C (86 °F) . [ 21 ] Más del 99 % del agua atmosférica se encuentra en forma de vapor, en lugar de agua líquida o hielo, [ 22 ] y aproximadamente el 99,13 % del vapor de agua está contenido en la troposfera . La condensación del vapor de agua a la fase líquida o de hielo es responsable de las nubes , la lluvia, la nieve y otras precipitaciones , que se encuentran entre los elementos más significativos de lo que experimentamos como clima. Menos obvio, el calor latente de vaporización , que se libera a la atmósfera cada vez que ocurre la condensación, es uno de los términos más importantes en el balance energético atmosférico tanto a escala local como global. Por ejemplo, la liberación de calor latente en la convección atmosférica es directamente responsable de impulsar tormentas destructivas como ciclones tropicales y tormentas eléctricas severas . El vapor de agua es un importante gas de efecto invernadero [ 23 ] [ 24 ] debido a la presencia del enlace hidroxilo que absorbe fuertemente en el infrarrojo .    

El vapor de agua es el "medio de trabajo" del motor termodinámico atmosférico, que transforma la energía térmica de la radiación solar en energía mecánica en forma de viento. Esta transformación requiere un nivel de temperatura superior e inferior, así como un medio de trabajo que se desplace entre ambos. El nivel de temperatura superior lo proporciona la superficie del suelo o del agua de la Tierra, que absorbe la radiación solar incidente y se calienta, evaporando el agua. El aire húmedo y cálido a nivel del suelo es más ligero que el aire circundante y asciende hasta el límite superior de la troposfera. Allí, las moléculas de agua irradian su energía térmica al espacio exterior, enfriando el aire circundante. La atmósfera superior constituye el nivel de temperatura inferior del motor termodinámico atmosférico. El vapor de agua en el aire ahora frío se condensa y cae al suelo en forma de lluvia o nieve. El aire frío y seco, ahora más denso, también desciende al suelo; de esta manera, el motor termodinámico atmosférico establece una convección vertical que transporta el calor desde el suelo hasta la atmósfera superior, donde las moléculas de agua pueden irradiarlo al espacio exterior. Debido a la rotación de la Tierra y las fuerzas de Coriolis resultantes, esta convección atmosférica vertical también se convierte en una convección horizontal, en forma de ciclones y anticiclones, que transportan el agua evaporada sobre los océanos hacia el interior de los continentes, permitiendo el crecimiento de la vegetación. [ 25 ]

El agua en la atmósfera terrestre no solo está por debajo de su punto de ebullición ( 100 °C (212 °F) ), sino que a gran altitud desciende por debajo de su punto de congelación ( 0 °C (32 °F) ), debido a la alta atracción polar del agua . Al combinarse con su cantidad, el vapor de agua tiene un punto de rocío y un punto de congelación relevantes , a diferencia, por ejemplo, del dióxido de carbono y el metano. Por lo tanto, el vapor de agua tiene una altura de escala que es una fracción de la de la atmósfera en su conjunto, [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] ya que el agua se condensa y sale , principalmente en la troposfera , la capa más baja de la atmósfera. [ 29 ] El dióxido de carbono ( CO₂ ) y el metano , al estar bien mezclados en la atmósfera, tienden a ascender por encima del vapor de agua. La absorción y emisión de ambos compuestos contribuyen a las emisiones de la Tierra al espacio y, por lo tanto, al efecto invernadero planetario . [ 27 ] [ 30 ] [ 31 ] Este forzamiento de efecto invernadero es directamente observable, a través de características espectrales distintivas en comparación con el vapor de agua, y se observa que aumenta con el aumento de los niveles de CO 2. [ 32 ] Por el contrario, agregar vapor de agua a grandes altitudes tiene un impacto desproporcionado, razón por la cual el tráfico de aviones [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] tiene un efecto de calentamiento desproporcionadamente alto. La oxidación del metano también es una fuente importante de vapor de agua en la estratosfera, [ 36 ] y agrega alrededor del 15% al ​​efecto de calentamiento global del metano. [ 37 ]    

En ausencia de otros gases de efecto invernadero, el vapor de agua de la Tierra se condensaría en la superficie; [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] es probable que esto haya ocurrido , posiblemente más de una vez. Por lo tanto, los científicos distinguen entre gases de efecto invernadero no condensables (impulsores) y condensables (impulsados), es decir, la retroalimentación del vapor de agua mencionada anteriormente. [ 41 ] [ 24 ] [ 23 ]

La niebla y las nubes se forman por condensación alrededor de núcleos de condensación nubosa . En ausencia de núcleos, la condensación solo se produce a temperaturas mucho más bajas. Bajo condensación o deposición persistente, se forman gotitas de nube o copos de nieve, que precipitan al alcanzar una masa crítica.

La concentración atmosférica de vapor de agua es muy variable entre lugares y momentos, desde10  ppm en el aire más frío al 5% (50 000  ppm ) en el aire tropical húmedo, [ 42 ] y se puede medir con una combinación de observaciones terrestres, globos meteorológicos y satélites. [ 43 ] El contenido de agua de la atmósfera en su conjunto se agota constantemente por la precipitación. Al mismo tiempo, se repone constantemente por la evaporación, principalmente de océanos, lagos, ríos y tierra húmeda. Otras fuentes de agua atmosférica incluyen la combustión, la respiración, las erupciones volcánicas, la transpiración de las plantas y varios otros procesos biológicos y geológicos. En cualquier momento dado hay aproximadamente 1,29 × 10¹⁶ L ( 3,4 × 10¹⁵ galones estadounidenses ) de agua en la atmósfera. La atmósfera contiene 1 parte en 2500 del agua dulce y 1 parte en 100 000 del agua total en la Tierra. [ 44 ] El contenido medio global de vapor de agua en la atmósfera es aproximadamente suficiente para cubrir la superficie del planeta con una capa de agua líquida de unos 25 mm (0,98 pulg) de profundidad. [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] La precipitación media anual del planeta es de aproximadamente 1 m (3 pies 3 pulg) , una comparación que implica una rápida renovación del agua en el aire; en promedio, el tiempo de residencia de una molécula de agua en la troposfera es de unos 9 a 10 días. [ 47 ]        

Algunos efectos del calentamiento global pueden potenciar ( retroalimentación positiva , como el aumento de la concentración de vapor de agua) o inhibir ( retroalimentación negativa ) el calentamiento. [ 48 ] [ 49 ]

El vapor de agua medio global es aproximadamente el 0,25 % de la atmósfera en masa y también varía estacionalmente, en términos de contribución a la presión atmosférica entre 2,62 hPa (1,97 mmHg) en julio y 2,33 hPa (0,0338 psi) en diciembre. [ 50 ] El AR6 del IPCC expresa una confianza media en el aumento del vapor de agua total en aproximadamente    1%–2% por década; se espera que aumente alrededor de un 7% por cada 1 °C (1,8 °F) de calentamiento. [ 51 ] [ 45 ]  

Los episodios de actividad geotérmica superficial, como las erupciones volcánicas y los géiseres, liberan cantidades variables de vapor de agua a la atmósfera. Estas erupciones pueden ser de gran magnitud en términos humanos, y las erupciones explosivas más importantes pueden inyectar masas de agua excepcionalmente grandes a gran altura en la atmósfera, pero como porcentaje del agua atmosférica total, el papel de estos procesos es insignificante. Las concentraciones relativas de los diversos gases emitidos por los volcanes varían considerablemente según el lugar y el evento particular en cada sitio. Sin embargo, el vapor de agua es consistentemente el gas volcánico más común ; por regla general, comprende más del 60 % de las emisiones totales durante una erupción subaérea . [ 52 ]

El contenido de vapor de agua atmosférico se expresa mediante diversas medidas. Estas incluyen la presión de vapor, la humedad específica , la relación de mezcla, la temperatura del punto de rocío y la humedad relativa .

Imágenes de radar y satélite

Estos mapas muestran la cantidad promedio de vapor de agua en una columna de atmósfera durante un mes determinado. ( Haga clic para obtener más detalles ).
Vapor de agua atmosférico medio global de MODIS / Terra en atm-cm (centímetros de agua en una columna atmosférica si se condensara)

Debido a que las moléculas de agua absorben microondas y otras frecuencias de ondas de radio , el agua en la atmósfera atenúa las señales de radar . [ 53 ] Además, el agua atmosférica reflejará y refractará las señales en una medida que depende de si se encuentra en estado gaseoso, líquido o sólido.

En general, las señales de radar pierden intensidad progresivamente a medida que avanzan por la troposfera. Las distintas frecuencias se atenúan a ritmos diferentes, de modo que algunos componentes del aire son opacos a ciertas frecuencias y transparentes a otras. Las ondas de radio utilizadas para la radiodifusión y otras comunicaciones experimentan el mismo efecto.

El vapor de agua refleja el radar en menor medida que las otras dos fases del agua. En forma de gotas y cristales de hielo, el agua actúa como un prisma, algo que no hace como molécula individual ; sin embargo, la presencia de vapor de agua en la atmósfera hace que esta actúe como un prisma gigante. [ 54 ]

Una comparación de imágenes del satélite GOES-12 muestra la distribución del vapor de agua atmosférico en relación con los océanos, las nubes y los continentes de la Tierra. El vapor rodea el planeta, pero su distribución es desigual. El bucle de imágenes de la derecha muestra el promedio mensual del contenido de vapor de agua, cuyas unidades se dan en centímetros, que representan el agua precipitable o la cantidad equivalente de agua que se produciría si todo el vapor de agua de la columna se condensara. Las cantidades más bajas de vapor de agua ( 0 cm (0 pulg) ) aparecen en amarillo, y las cantidades más altas ( 6 cm (2,4 pulg ) ) aparecen en azul oscuro. Las áreas con datos faltantes aparecen en tonos de gris. Los mapas se basan en datos recopilados por el sensor MODIS ( Espectrorradiómetro de Imágenes de Resolución Moderada ) del satélite Aqua de la NASA. El patrón más notable en la serie temporal es la influencia de los cambios estacionales de temperatura y la luz solar incidente sobre el vapor de agua. En los trópicos, una banda de aire extremadamente húmedo oscila al norte y al sur del ecuador con el cambio de estaciones. Esta banda de humedad forma parte de la Zona de Convergencia Intertropical , donde convergen los vientos alisios del este de cada hemisferio y producen tormentas eléctricas y nubes casi a diario. Más lejos del ecuador, las concentraciones de vapor de agua son altas en el hemisferio que experimenta el verano y bajas en el que experimenta el invierno. Otro patrón que se observa en la serie temporal es que la cantidad de vapor de agua sobre las zonas terrestres disminuye más en los meses de invierno que sobre las zonas oceánicas adyacentes. Esto se debe principalmente a que las temperaturas del aire sobre la tierra bajan más en invierno que las temperaturas sobre el océano. El vapor de agua se condensa más rápidamente en el aire frío. [ 55 ]    

Como el vapor de agua absorbe la luz en el rango espectral visible, su absorción puede utilizarse en aplicaciones espectroscópicas (como DOAS ) para determinar la cantidad de vapor de agua en la atmósfera. Esto se realiza operativamente, por ejemplo, a partir de los espectrómetros del Experimento de Monitoreo Global del Ozono (GOME) en ERS (GOME) y MetOp (GOME-2). [ 56 ] Las líneas de absorción más débiles del vapor de agua en el rango espectral azul y más hacia el UV hasta su límite de disociación alrededor deLos datos de 243  nm se basan principalmente en cálculos de mecánica cuántica y solo están parcialmente confirmados por experimentos. [ 57 ] [ 58 ]

Generación de rayos

El vapor de agua desempeña un papel fundamental en la generación de rayos en la atmósfera. Según la física de las nubes , estas suelen ser las principales generadoras de carga estática en la atmósfera terrestre. La capacidad de las nubes para almacenar grandes cantidades de energía eléctrica está directamente relacionada con la cantidad de vapor de agua presente en el sistema local.

La cantidad de vapor de agua controla directamente la permitividad del aire. En épocas de baja humedad, la descarga electrostática es rápida y fácil. En épocas de mayor humedad, se producen menos descargas electrostáticas. La permitividad y la capacitancia trabajan conjuntamente para producir las descargas de megavatios de los rayos. [ 59 ]

Después de que una nube, por ejemplo, comienza a generar rayos, el vapor de agua atmosférico actúa como una sustancia (o aislante ) que disminuye la capacidad de la nube para descargar su energía eléctrica. Con el tiempo, si la nube continúa generando y almacenando electricidad estática , la barrera creada por el vapor de agua atmosférico acabará por romperse debido a la energía potencial eléctrica almacenada. [ 60 ] Esta energía se liberará en una región local con carga opuesta, en forma de rayo. La intensidad de cada descarga está directamente relacionada con la permitividad atmosférica, la capacitancia y la capacidad de generación de carga de la fuente. [ 61 ]

Extraterrestre

El vapor de agua es común en el Sistema Solar y, por extensión, en otros sistemas planetarios . Su presencia se ha detectado en la atmósfera del Sol, concretamente en las manchas solares . También se ha detectado vapor de agua en las atmósferas de los siete planetas extraterrestres del Sistema Solar, la Luna de la Tierra [ 62 ] y las lunas de otros planetas, aunque generalmente en cantidades ínfimas.

Criogeisco en erupción en Europa , la luna de Júpiter (concepto artístico) [ 63 ]
Ilustración artística de las señales de agua en atmósferas de exoplanetas detectables por instrumentos como el Telescopio Espacial Hubble [ 64 ].

Se cree que existen formaciones geológicas como criogéisers en la superficie de varias lunas heladas que expulsan vapor de agua debido al calentamiento por mareas y pueden indicar la presencia de cantidades sustanciales de agua subterránea. Se han detectado columnas de vapor de agua en Europa , la luna de Júpiter , similares a las detectadas en Encélado, la luna de Saturno . [ 63 ] También se han detectado rastros de vapor de agua en la estratosfera de Titán . [ 65 ] Se ha descubierto que el vapor de agua es un componente principal de la atmósfera del planeta enano Ceres , el objeto más grande del cinturón de asteroides . [ 66 ] La detección se realizó utilizando las capacidades de infrarrojo lejano del Observatorio Espacial Herschel . [ 67 ] El hallazgo es inesperado porque los cometas , no los asteroides , suelen considerarse los que "expulsan chorros y columnas". Según uno de los científicos, "las líneas entre cometas y asteroides se están volviendo cada vez más difusas". [ 67 ] Los científicos que estudian Marte plantean la hipótesis de que si el agua se mueve alrededor del planeta, lo hace en forma de vapor. [ 68 ]

El brillo de las colas de los cometas se debe en gran parte al vapor de agua. Al acercarse al Sol , el hielo que transportan muchos cometas se sublima y se convierte en vapor. Conociendo la distancia de un cometa al Sol, los astrónomos pueden deducir su contenido de agua a partir de su brillo. [ 69 ]

También se ha confirmado la presencia de vapor de agua fuera del Sistema Solar. El análisis espectroscópico de HD 209458 b , un planeta extrasolar en la constelación de Pegaso, proporciona la primera evidencia de vapor de agua atmosférico más allá del Sistema Solar. Se descubrió que una estrella llamada CW Leonis tenía un anillo de grandes cantidades de vapor de agua que orbitaba la estrella masiva y envejecida . Un satélite de la NASA diseñado para estudiar los compuestos químicos en las nubes de gas interestelar hizo el descubrimiento con un espectrómetro a bordo. Lo más probable es que "el vapor de agua se haya vaporizado de las superficies de cometas en órbita". [ 70 ] Otros exoplanetas con evidencia de vapor de agua incluyen HAT-P-11b y K2-18b . [ 71 ] [ 72 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ «Aspectos destacados del clima global 2024» . Programa Copernicus. 10 de enero de 2025. Archivado del original el 27 de julio de 2025. Figura 11. Anomalías anuales en la cantidad promedio de vapor de agua total en la columna atmosférica sobre el dominio 60°S–60°N con respecto al promedio del período de referencia 1992–2020. Las anomalías se expresan como un porcentaje del promedio de 1992–2020. Datos: ERA5. Crédito: C3S/ECMWF.
  2. ↑ Hawkins, Ed (17 de enero de 2025). "Mi nueva franja climática de color rojo oscuro para 2024 muestra que es el año más caluroso hasta la fecha" . Climate Lab Book. Archivado del original el 28 de abril de 2025.
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