Entre la Morfología de las nubes consideramos de interés en esta época del año, tan favorable para ellas, las del tipo que encabeza estas líneas, que, según la terminología técnica, reciben el nombre de cúmulo-nimbos (Cu-Ni).
Sobre la constitución de esta nube se han tenido mucho tiempo ideas equivocadas, porque no se habían observado los fenómenos desde el aire a la inmediación de la nube misma tempestuosa.
No es que hoy se conozca exactamente el mecanismo de esta nube, sobre todo en lo relativo al aspecto dinámico y eléctrico, pero si se tienen ideas mucho más exactas que las que ante había.
Para la explicación que intentamos hacer conviene recordar algunos puntos fundamentales de la formación de nubes en general.
Ley de la temperatura-Inversión
Consideremos el fenómeno del decrecimiento de la temperatura con la altura; está representada por una línea que si se trata de aire seco o húmedo, pero lejos del punto de saturación, es una recta, tal como A B de la figura 1.ª; la inclinación de esa recta está medida por el gradiente térmico vertical; si la ley es la adiabática, es decir, sin cambios de calor, y se escoge la misma longitud para representar 100 m. que un 1º, esa recta es inclinada a 45°; si el decrecimiento es menor o, lo que es lo mismo, el aire está relativamente caliente, es tal como A C, y si es mayor, o relativamente frío, como A D.
En el primer caso, una partícula de aire que se elevase por cualquier causa seguiría la recta A B, y en cualquier punto su equilibrio sería indiferente, pues tendría igual temperatura que el aire que la rodea; si el estado del aire fuese el A D, entonces una partícula que se elevase, como siempre sigue la recta A B, estaría más caliente que el aire de su alrededor y tendría tendencia a subir constantemente; pero si fuese el A C, entonces, en cuanto iniciase su subida, tendería a caer, pues estaría más frío que su alrededor y sería más pesado.
Estados, pues, como el A D son favorables a la formación de corrientes ascendentes del aire que llegará a límites tanto mayores de la atmósfera cuanto mayor sea la altura en la que reine el estado A D.
Una situación, en cambio, como A C frena cualquier movimiento vertical y es, por lo tanto, poco favorable para la existencia de tales movimientos verticales.
Si el aire, que por una razón determinada asciende, tiene cierta humedad, al ir enfriándose según la ley A B (fig. 2.ª), llegará un momento en que esté saturado y empezará la condensación y, por lo tanto, la nube; la ley de la condensación está representada por una línea tal como A B C con un vértice en B; la altura de la base de la nube sería h1; su extensión vertical depende del estado de la atmósfera ; si ésta es del género A D, la extensión vertical podría ser muy grande; si el estado es el A C, entonces ya hemos dicho que se frenan los movimientos verticales y hasta lo probable es que no se formasen nubes.
Pero puede ocurrir que la temperatura tenga una variación brusca, un salto tal como el B C de la figura 3.ª; a una altura h la temperatura crece bruscamente en cantidad B C; es el fenómeno llamado inversión, que en la teoría de las nubes tiene una significación excepcional.
Generalmente el salto de temperatura va acompañado de variación brusca también del estado higrométrico, y si se hacen sondeos en varios lugares simultáneamente y se ve que el fenómeno es general, representa entonces una discontinuidad en la atmósfera, una superficie de separación entre dos capas de aire diferentes. Un globo que navegase en esta capa sería muy estable, pues si momentáneamente era un poco más ligero que el aire inferior, sería más pesado que el superior y tendría tendencia a mantenerse en la misma altura si una causa accidental le separaba de ella.
Lo mismo puede ocurrir a una columna ascendente de aire calentado, respecto a la masa general que le rodea: sube, y al llegar a la altura de condensación, forma la nube, que sigue subiendo, como se ha dicho, y extendiéndose verticalmente; pero si llega a una inversión, refrena su movimiento, se detiene y la nube, que ha podido penetrar la capa de aire inferior a la inversión, no puede atravesar la superior, y si sigue la aportación de humedad, tiene que extenderse horizontalmente.
La inversión no se presenta bruscamente, como en la figura 3.ª aparece; existe, generalmente, en lugar del fenómeno ideal supuesto, una capa de transición, de más o menos espesor, en la que la temperatura va aumentando con la altura; el gradiente es negativo y la ley de variación es como la representada en la figura 4.ª; la capa B C es la de inversión, que viene a sustituir a la inversión ideal E E'.
Solamente con la existencia de inversiones se concibe que las nubes tengan limitada extensión vertical; en grande, el fenómeno se aplica igual a la estratosfera; desde la capa isoterma no existen movimientos verticales.
Una inversión, según lo dicho, puede existir y no ser visible; por el contrario, una discontinuidad puede hacerse visible por la condensación de una de las dos capas de aire que separa, generalmente la inferior, y entonces la discontinuidad es la superficie del mar de nubes que, como suele coincidir también con salto de viento, los torbellinos de mezcla dan a su superficie el aspecto ondulado característico, o bien salpicado de las cabezas cumuliformes de intentos de penetración en la capa superior (figs. 5.ª y 6.ª)
Equilibrio de vapor da agua del mar de nubes
Como generalmente esta capa es más seca, tendrá tendencia a disolver el vapor de agua de la nube y, por tanto, se comprende que habrá lugar a preguntarse cómo se reparte el vapor de agua a un lado y otro de la discontinuidad.
Fig. 5. — Mar de nubes que acusa inversión muy marcada.
Fig. 6. — Mar de nubes con salientes cumuliformes.
Fig. 7. — Velo de condensación sobre mar de nubes.
Fig. 8. — Mamato-Cúmulus.
Se ve evidentemente que el estado de equilibrio se obtendrá cuando la tensión del vapor de agua en las dos capas sea la misma, pues entonces no habrá tendencia a la difusión. Si es F el estado higrométrico, se sabe que siendo C la tensión actual del vapor de agua y E la máxima a la temperatura que tenga el aire, se verifica que:
por consiguiente:
luego si son C1 y C2 las tensiones del vapor de agua en las dos capas de aire, deberá ser en el estado de equilibrio
o sea
Si la capa inferior condensa, será F1 = 100, de modo que el estado higrométrico de la superior, para que exista equilibrio, será
Si el aire superior está más seco que lo que corresponde a esta fórmula, disolverá poco a poco la capa de nubes, que si persiste será a expensas de condensación continua; si es más húmedo, depositará su vapor de agua también sobre la nube (figura 7.ª).
Un caso particular de ser muy seco el aire superior es el de las nubes onduladas, de las que otro día hablaremos; ahora mencionaremos el caso de ser la capa superior muy húmeda, y entonces se presenta el tipo de nube llamado Mamato-Cúmulos, o cúmulos mamelonados, que suelen aparecer en las nubes de tormenta y que tienen todo el aspecto de un mar de nubes invertido (fig. 8.ª); en lugar de estar los apéndices cumuliformes encima, se presentan por debajo, y esto, que indica que probablemente la base de la nube coincide con una inversión, es decir, que así como lo frecuente es que la inversión esté en la superficie del mar de nubes y que éste se extienda desde la inversión hacia el suelo, siendo la condensación debida a la capa inferior, en este caso la nube se extiende desde la inversión hacia arriba, siendo la capa superior la que condensa.
Se presentan los Mamato-cúmulos en las nubes del género St y A-St y, como hemos dicho, en la nube de tormenta cuando el cuerpo cumuliforme, al penetrar en la altura de los A-Cu. (4.000 metros, término medio), deja de subir y se extiende horizontalmente; entonces, siendo el aire inferior el más seco, va apoderándose del vapor de agua superior, y si llega a saturarse, condensa la capa inferior, trasladándose la nube, gracias al poder difusivo, desde la capa superior a la inferior, desapareciendo la forma mamelonada, lo que explica que sea difícil observar esta nube por la corta existencia que tiene.
Nube tempestuosa en formación
La figura 9.ª da en forma esquemática un corte de una nube de tormenta en periodo de formación, que ha llegado a empezar la penetración del nivel de los A-Cu, y muestra el lugar de formación de los Ma-Cu., indicando que en la base de la nube debe haber inversión en ese momento, pues el que el aire se haya podido extender en capa sobre ese nivel es prueba de ser más caliente que el de la zona atravesada.
Otras particularidades
Y, para terminar con los antecedentes necesarios para llegar a nuestro objeto de explicar la nube tempestuosa, digamos por hoy otras particularidades de la formación de las nubes.
Hemos dicho que la superficie del mar de nubes representa generalmente una capa de inversión o discontinuidad y que este mar podía estar más o menos salpicado de salientes o elevaciones cumuliformes; esta circunstancia depende de las condiciones de la inversión. Si esta inversión es francamente caracterizada o acusada, la superficie del mar de nubes es regular, sin aquellos apéndices; por el contrario, si la inversión preexistente es pequeña, como por el calor latente de vaporización puesto en libertad al condensarse el vapor de agua y formar la nube, se eleva un poco la temperatura del aire, puede éste seguir siendo más ligero que el que está sobre el mar de nubes y penetrarle algo verticalmente, dando lugar a la cabeza cumuliforme; donde éstas faltan es porque, según el mecanismo explicado, existe inversión más fuerte, que hace más ligero el aire superior que el de la nube y éste no puede seguir el movimiento ascendente.
Por esta consideración se ve también que sobre el limite superior de una nube existe una inversión, puesto que sin ella la nube seguiría extendiéndose verticalmente: el fenómeno es análogo al de una columna de humo que sube y en una cierta altura se extiende horizontalmente.
Otra circunstancia también interesante es la distinción entre las dos clases de cúmulos: los de conversión, o típicos de verano, producidos cuando se calienta una porción de la capa inferior y los llamados Cu. dinámicos, producidos por una capa superior fría, de los cuales un caso particular son los A-Cu. castellatus (fig. 10), precursores de las nubes de tormenta; estos cúmulos se presentan en forma de pequeños glóbulos o botones alineados, unidos o no por una base general, y muchas veces existen, aun por la mañana, en los lugares propicios para la formación por la tarde de las nubes tempestuosas; están producidos por los pequeños torbellinos de mezcla del aire frío superior, cuya existencia es una de las condiciones para que se forme la nube de tormenta.
Finalmente, también conviene recordar que, además de la nube tipo Cu. (fig. 11) , que en general está formada por las columnas de aire ascendente, o sea por aire que condensa por partes. que pudiéramos decir, existe la nube del otro tipo fundamental, Estrato, St., formada por la condensación global de masas de aire de gran extensión horizontal, que por diversos mecanismos puede elevarse y condensar en toda la masa (figura 12).
Claro es que el tipo St. puede llegar a formarse no por este mecanismo, sino a partir del tipo Cu., que, formados los Cu. aislados, y siguiendo la aportación de aire condensante que no puede seguir subiendo por existir una inversión muy acusada, se extienden horizontalmente y llegan a soldarse, empezando por la parte superior y llegando a que la soldadura sea más o menos completa en todo el espesor de la capa, resultando éste uno de los modos de formación del St. - Cu. (fig. 13), que entonces parece presentar bandas alineadas siempre perpendicularmente al observador por el efecto de perspectiva de los huecos que quedan entre las bases de los Cu. no acabados de soldar.
Expuestos estos antecedentes, en el siguiente artículo trataremos ya con detalle de la constitución de la nube tempestuosa, para lo cual era necesaria antes la enumeración de las particularidades citadas, que, por otro lado, creemos serán de interés para los aficionados a estos asuntos.
JOSÉ CUBILLO
Madrid, 25 - IX - 1929,
Las nubes tempestuosas II
Con el artículo anterior de esta Revista, publicado bajo este mismo titulo, como antecedente, nos proponemos en este segundo dar una idea de la constitución de las nubes tempestuosas, uno de los obstáculos de más importancia que presenta el Océano Aéreo para la Aeronáutica.
No pretendemos considerar aquí el fenómeno en su aspecto dinámico como base, sino principalmente como tal nube, sin per- juicio de decir las consecuencias más interesantes del dinamismo de esta nube, que, como se sabe, y ya se dijo, se distingue con el nombre general de Cúmulo-nimbos (Cu-Ni), aunque no son enteramente iguales las de formación local tormentosa y las de una línea de turbonadas o frente frío de una depresión, que son las dos formas de presentación de estos fenómenos nubosos.
Conviene recordar que la existencia de nubes va siempre ligada a la de inversiones de temperatura en la atmósfera, ya a inversiones locales, es decir, discontinuas en sentido horizontal o islotes de inversión a una cierta altura, como es el caso de las nubes tipo Cu, o continuas, como corresponde a las nubes tipo St.
En general, los distintos pisos de nubes van unidos a inversiones estables o, al menos, frecuentes en la atmósfera, y aunque hasta ahora no existen explicaciones completamente satisfactorias de estas inversiones, pues se comprende lo complicado del conocimiento de! estado de una masa gaseosa tan enorme como la de la atmósfera y sometida a influjos tan variables como los de las múltiples circunstancias que en ella influyen, se puede, sin embargo, señalar, al menos, hipótesis más o menos aventuradas sobre el origen de estas inversiones.
Pisos nubosos. — En primer lugar, los escalones o pisos de nubes se sabe que son los marcados por las llamadas nubes inferiores, nubes medias y nubes superiores, que representa esquemáticamente la figura 14, en la cual también se indica la diferente estructura o constitución interna de cada grupo: si son de gotas de agua o de agujas o cristales de hielo.
La inversión del nivel de los A-Cu o nubes medias, da la coincidencia que corresponde a la altura de los cuatro kilómetros, que es la que divide a la Troposfera en dos partes de igual masa, pues como la presión del límite superior de esa Tropósfera es de 168 mm. y la del inferior o suelo es de 755 mm., la media es de
, que con la temperatura de — 3º da, en números redondos, 3.900 metros de altura. Acaso esta coincidencia corresponda a que debe esperarse, en las latitudes medias, que la mitad superior de la atmósfera se mueva hacia el Polo y la inferior hacia el Ecuador, y, por lo tanto, a la citada altura de 4.000 metros exista una superficie de deslizamiento de ambas masas, en la cual se forman nubes.
Análogamente, la altura media de los St-Cu corresponde otra vez a nueva división en dos partes de la mitad inferior de las dos señaladas, siendo de notar que, como es lógico, los pisos de nubes coinciden con discontinuidades en el estado higrométrico, como se ve por la línea indicadora de este estado en las diferentes alturas. De cualquier modo que sea es un hecho que existen en la realidad las referidas inversiones o situaciones preferidas por las capas de nubes, cuyas inversiones juegan un papel importante en la formación y desarrollo de la nube tempestuosa de verano o de origen térmico local, que es a la que, como más característica, nos vamos a referir más especialmente.
Descripción de la nube tempestuosa. — La figura 15 da el perfil ideal de esta nube, según Wegener; en él se ve la primera expansión horizontal del aire en el nivel de los St-Cu; después, la segunda expansión, a la altura de los A-Cu, con la formación de los Mamato-Cu, que ya se explicó en el anterior artículo, y en el centro de la nube la torre de granizo con la cabeza cumuliforme, que se conserva y realiza la penetración de varias capas de las llamadas velos y falsos cirros y que, a veces, está coronada por otro velo o capuchón de cirros. En algunas ocasiones, la nube penetra toda la Troposfera y llega a su límite superior; otras alcanza alturas inferiores, lo que depende, como se verá, de la energía causante del fenómeno; pero hay que advertir que muchas de las discrepancias en la apreciación de la altura total de nubes de este tipo proceden, más que de diferencias reales, de que la expansión de los A-Cu oculta el cuerpo superior de la nube.
Se apercibe también el cuerpo en forma de abanico por encima de la primera expansión horizontal, formado de estrías o penachos, que, en conjunto, dan a la nube en esta parte el aspecto de yunque, cuyo aspecto revela el fuerte movimiento ascendente del aire.
Es de advertir que, aunque el aspecto de la torre de granizo sea cilíndrico, como corresponde a su nombre, en la realidad la cúspide de la nube es como indica el detalle de la figura 16; es decir, la verdadera nube puede tener una forma más o menos irregular, con !a cabeza ensanchada por el efecto de la resistencia del aire ambiente a ser atravesado por el que asciende y los penachos de precipitaciones que caen de la parte superior, por todo el contorno, son los que dan el aspecto de regularidad que produce la semejanza a una torre. Y con esta descripción veamos cuál es el mecanismo por el que puede llegar a constituirse esta nube.
Formación de la nube tempestuosa. — La atmósfera ha de tener preliminarmente una preparación, por decirlo así, especial para que llegue a formarse la nube que se ha descrito, cuyapreparación coincide de antemano por medio de un sondeo en avión, que es el medio más rápido de llegar a la altura necesaria y conocer en seguida el resultado del sondeo, puede servir para la predicción de la tormenta, consiste en la existencia de fuertes gradientes de temperatura y además inversiones locales, no generales, pues si lo fuesen corresponderían a la formación de una capa nubosa continua que no degeneraría en Cu-Ni.
Según ha mostrado la observación, y se comprende, la situación más favorable de capas atmosféricas para la formación de tormentas es la de una capa inferior relativamente caliente; es decir, con pequeño gradiente térmico vertical y una capa superior de fuerte gradiente térmico: es decir, relativamente fría.
En estas condiciones, a consecuencia del calentamiento del suelo, y, por tanto, del aire en contacto con él, se inician corrientes ascensionales aisladas que acaban por producir abundantes Cu en la primera pequeña inversión de temperatura existente, constituyéndose así, a esa altura, la reserva, que pudiera decirse, de humedad que empleará la nube en su posterior desarrollo.
Después, en una región determinada de esta capa de Cu se produce, sea a causa de una inestabilidad local, sea por la insolación, una violenta corriente ascensional (fig. 17), verdadera chimenea que reúne y conduce el aire circundante cargado de humedad y forma el abanico o yunque, si llega a ser suficientemente violenta, lo que si ocurre, a veces, pues alcanza y excede a los ocho metros por segundo, para cuya corriente es necesaria la existencia previa del fuerte gradiente de temperatura, pues así el aire que asciende, a pesar de su enfriamiento al subir, se conserva más ligero que la masa que le rodea y hasta puede resultar creciente la diferencia de densidad, y, por lo tanto, la velocidad de ascensión. Llegado este aire al nivel de la segunda inversión o de los A-Cu viene la segunda expansión horizontal que se ha descrito, mientras que el cuerpo central de la nube, con el remate cumuliforme caliente y húmedo, sigue subiendo más, hasta llegar a veces a los altos límites que antes se han señalado.
En esta ascensión de aire puede ocurrir que las masas aéreas que han de ser penetradas sean, en parte, arrastradas por la columna ascendente y elevadas por igual en toda su sección, rebasando su altura de condensación, dando lugar a formaciones nubosas, tipo St, que son los velos o capuchones de las cabezas cumuliformes, que luego acaban por ser penetrados (figs. 18 y19) por el Cu ascendente, cuyo mecanismo explica también el origen de estas particularidades.
Esta explicación es la que se ha dado al velo de falso-cirros que existe, a veces, sobre la nube, aunque algunos meteorólogos opinan que pueda ser la expansión de la cabeza misma de la nube por igual mecanismo que el de formación de las expansiones horizontales inferiores, cuya explicación podría aceptarse si la nube llegase hasta el límite de la Troposfera; pero en los casos que no ocurre así y se presenta el falso-cirro no queda, por ahora, a falta de nuevas investigaciones más que la primera explicación citada.
Formaciones tormentosas abortadas. — Antes de seguir adelante en la descripción del mecanismo del desarrollo de la nube de tormenta conviene indicar la explicación de casos especiales, que conviene citar, no sólo por señalarlos, sino muy especialmente por completar el conocimiento del proceso de formación de la nube que se analiza.
Desde luego, se ve que como la humedad del aire decrece rápidamente con la altura, la enorme cantidad de vapor de agua que llega a constituir la nube no puede proceder de las grandes altitudes, por lo que el Cu-Ni tormentoso debe empezar su formación a pequeña altura, en donde existe toda la humedad procedente de la condensación y formación de nubes bajas tipo Cu, que preceden a la tormenta, como se ha dicho, con lo que se explica la poca intensidad de las tempestades que empiezan a formarse a altitud elevada, sobre todo cuando es baja la temperatura, dando lugar a formaciones que, a lo más, terminan en un chaparrón o en una ligera granizada (los llamados algarazos en la sierra castellana).
Fijándose, además, en las dos fases que hemos citado en la formación de la nube se pueden deducir más particularidades, y al efecto recordamos que dichas fases son: 1.ª, condensación abundante en la primera capa de pequeño gradiente vertical en forma de Cu, de protuberancias redondeadas semejantes a gigantescas coliflores (fig. 20); 2.ª, formación del yunque o abanico que da lugar a los velos o falsos-cirros, correspondiente a la violenta corriente ascendente de aire en la zona superior de fuerte gradiente térmico (fig. 21). Y así, teniendo presente estas dos fases, necesarias para el desarrollo total de la nube, se ve claramente la explicación de algunos casos, como son: 1°, nubes de aspecto muy amenazador que se desarrollan débilmente; 2.º, cúmulos de enormes protuberancias que no llegan a ser tormentosos; 3.º, nubes del tipo Cu - Ni que carecen de la primera base o expansión horizontal de Cu y que sólo están constituidos por el abanico o yunque. El primero se explica por la falta de humedad suficiente en la primera capa; el segundo, porque falta la zona superior de fuerte gradiente en donde se forme el cuerpo verdaderamente tempestuoso, y el tercero, porque falta la zona inferior de pequeño gradiente y la nube toma en seguida la forma de abanico, como ocurre con las nubes de granizada o algarazo.
Desarrollo de la tormenta. — Se comprende que la rápida ascensión del aire húmedo en el cuerpo de la nube determinará una condensación abundante hasta llegar a la formación de gotas del tamaño necesario para iniciar la caída, que empezará por no poder verificarse por contrarrestarla el rápido movimiento ascendente citado, pero que se comprende que, si la condensación sigue, sea por la humedad existente, sea por la altura alcanzada, llegará un momento en el que ese equilibrio se romperá y se iniciará la lluvia fuerte o granizada, que será lo general si la formación tempestuosa es de la suficiente energía para que haya alcanzado la altura de las precipitaciones sólidas.
Desde este momento empiezan una serie de fenómenos que pueden llamarse secundarios respecto al origen mismo de la nube, pero que, en sus efectos, resultan de importancia primordial, no sólo por ser los que más poderosamente llaman la atención del suelo, sino por constituir, fuera de los eléctricos, los principales efectos peligrosos para un aéreo.
Roto, cómo se ha dicho, el equilibrio entre las precipitaciones atmosféricas desprendidas de la nube y la corriente ascensional que las detiene, y aun las vuelve a elevar, dando lugar a las sucesivas agregaciones que llegan a formar los gruesos granizos, estas precipitaciones inician su franca caída hasta el suelo, y en ella llega un momento que caen con velocidad sensiblemente constante (a veces de 14 metros por segundo, si son gruesos los granizos), y entonces, como el aire que con el granizo o gruesas gotas forman un todo es arrastrado por la precipitación con esta velocidad, muy superior a la que correspondería a la acción de la gravedad sobre su masa, resulta, por decirlo así, como rasgado, produciéndose un vacío relativo en la altura de la nube, en la que ya la caída es franca, es decir, la primera expansión (fig. 15); este vacío producirá una llamada de aire del borde de la nube, puesto que el del centro está igualmente solicitado hacia abajo por las precipitaciones; a su vez, este aire, que se mueve horizontalmente, llamará aire de los puntos a y b; pero como, al llegar al suelo, el que cae arrastrado con gran velocidad rebota, este aire alcanzará más fácilmente el centro de llamada y contribuirá a cerrar el circuito formado que, como se ve, coincide casi exactamente con el régimen de corrientes observado en la nube de tormentas por Koppen e indicado en la figura 22, viniendo a constituirse un torbellino de eje horizontal que muchas veces se había tomado como la esencia y origen de la nube.
Se ve en seguida que este torbellino o rulo de aire, que por cierto gira, como ahora veremos, en sentido contrario al que correspondería a su avance si fuese tal rulo, se formará en el borde de sotavento de la nube, respecto al viento general reinante, pues éste hará que los ensanchamientos y yunque sean disimétricos y se extiendan más en sentido de dicho viento, y así las precipitaciones empezarán a caer del lado de sotavento, haciendo que el torbellino se forme en la parte que resulta anterior o frontal de la nube cuando ésta se pone en movimiento.
En la rama ascendente del torbellino habrá una fuerte condensación que ocasionará el reborde arqueado o frente de la nube, lo que los alemanes dicen gewiter-kragen, y que en nuestro idioma no ha recibido nombre especial, al menos de nosotros conocido.
Este reborde es de color sombrío, azul negruzco o cárdeno, y suele tener delante pequeñas nubecillas o fracto-nimbos, que se forman y desaparecen sin cesar, y dan a la nube el aspecto mortificado e irregular indicador de los movimientos tumultuosos del aire en esa región de la nube (fig. 23).
Esta enérgica corriente ascendente es causa también del silencio amenazador que precede a la nube, puesto que constituirá un obstáculo a la propagación horizontal del sonido.
Por el modo de formación que se ha dicho tiene el torbellino se comprende que su intensidad irá disminuyendo hacia los extremos del frente de la nube, y de aquí la forma arqueada de dicho reborde frontal, con disminución de altura hacia los extremos de la nube.
Traslación de la tormenta. — Veamos ahora cómo toda esta poderosa máquina de precipitaciones, movimiento de aire y descargas eléctricas se pone en movimiento, haciendo uso para ello de un modo de explicación que consideramos como resultado de nuestra propia investigación sobre el asunto.
Formado el torbellino de eje horizontal que se ha explicado, la presencia del suelo cerca de su eje, hace que se trate del caso de un torbellino en un fluido limitado por un plano paralelo al eje del mismo, y entonces, según el principio de las imágenes que se considera en la teoría de los fluidos, el efecto es el mismo que si no existiese el plano y al torbellino realmente existente le acompañase otro simétrico con él respecto a la posición que ocupa el mencionado plano (fig. 24). Entonces, el conjunto se pone en movimiento, teniendo cada torbellino la velocidad que resulta de la acción del otro y, por lo tanto, el torbellino real y con él toda la nube, avanzará en el sentido marcado por la flecha, que, como se ve, es el opuesto al giro del aire si fuese una rueda o rulo que avanzase.
Se demuestra también en la referida teoría que la velocidad del aire en el punto del plano situado bajo el torbellino es cuádruple de la de traslación del tubo, y así, aunque la teoría no sea exactamente aplicable, porque supone fluido perfecto, incompresible, etc., se conservarán sus rasgos generales, y queda explicado cómo una nube que avance a razón de 40 ó 50 kilómetros por hora produce vientos de 80, 100 y más kilómetros en igual tiempo, fenómeno al que se le habían buscado muchas explicaciones, sin darle ninguna tan sencilla y racional como la expuesta. A la vez se explica cómo la nube se pone en movimiento con la velocidad citada y produciendo la agitación que supone todo el aparato dinámico que la acompaña, sin que exista viento general reinante de importancia al que pudiera atribuirse aquél, pues precisamente las tormentas se forman en zonas de pequeño gradiente barométrico, y cómo, por fin, después de la tormenta, queda otra vez en calma la atmósfera, como si no hubiese sido barrida momentos antes por vientos violentísimos, que parece natural no desaparezcan sino más lentamente, si son generales.
Conviene advertir que el torbellino formado será probablemente de sección finita, como ocurrirá en muchos casos naturales; es decir, habrá un núcleo central giratorio como un sólido con el régimen de velocidades que indica la figura 25, en la zona ABC, que constituirá el torbellino, y luego toda la zona exterior, ya de movimiento irrotacional, con velocidades inversas a la distancia al eje, al contrario de la anterior zona, en la que son proporcionales a dicha distancia.
Se demuestra asimismo en la teoría señalada que hay una atmósfera de torbellino (fig. 26); es decir, hay verdadera traslación de masa aérea, y se ve que, correspondiendo el movimiento del aire alrededor del torbellino con el de traslación de éste, las trayectorias de las partículas serán especies de cicloides (no son cicloides perfectas porque el régimen de velocidad del torbellino no es puro, sino compuesto con su simétrico); unas cicloides serán acortadas; otras, normales, y otras, alargadas, con lazo; es decir, como olas que rompen, según indica la figura 27, que representa las trayectorias halladas por Koppen en una turbonada cuyo régimen, aunque no idéntico al de la nube de origen térmico, es análogo al que se ha estudiado.
Digamos, por fin, que la explicación dada justifica también el efecto de una tormenta sobre un globo libre, tal como el que la figura 28 representa sobre el globo " Zodiac XIV ", perdido en la turbonada del 17 de abril de 1913.
Y citando que la figura 29 representa un Cu-Ni de turbonada frontal, para que pueda apreciarse la diferencia de aspecto con los de origen térmico, damos por terminado el estudio nuboso y dinámico de la nube tempestuosa, para, en un tercero y último artículo, estudiar el aspecto eléctrico principalmente, con lo que, al menos, hemos dado motivo para que otras manos más hábiles modelen una imagen más perfecta que la ofrecida del fenómeno que constituye uno de los más serios peligros de la navegación aérea,
JOSÉ CUBILLO FLUITERS
Las nubes tempestuosas III
En este tercero y último articulo pretendemos dar brevemente algunas ideas sobre el mecanismo eléctrico de las nubes de tormenta, empezando por advertir que si aun no está bien conocida la dinámica de estas nubes, menos lo está su estructura eléctrica, y que por ello, no puede esperarse una explicación acabada del asunto, siendo únicamente lo que vamos a decir, todo lo que hasta el presente ha llegado a nuestro conocimiento.
Campo eléctrico de la atmósfera. — Desde los tiempos de los etruscos y Numa Pompolio, ya se conocía la predilección del rayo por las puntas, y es curioso citar que los romanos tenían una clasificación de diferentes especies de rayos: rayos nacionales, rayos individuales, de familia, de consejo, de autoridad, auxiliares, desagradables, pérfidos, pestíferos, asesinos, etc., etc.
Luego Otto de Guericke, de Magdeburgo, el célebre inventor de la máquina neumática fue el primero que descubrió una apariencia de resplandor eléctrico, y enseguida se asimiló este fenómeno al del relámpago atmosférico; pero como es sabido, fue Franklin, con su célebre cometa, el que mostró ya la prueba indudable de que los fenómenos tempestuosos consistían en electricidad atmosférica; experiencia que sin querer se ha vuelto a repetir muchas veces en el cable de retención del globo cautivo cuando se empleaba el sistema alemán de elementos de cable, que permanecía aislado del suelo, y el que esto escribe, mandando la maniobra en los ejercicios verificados en la Escuela de Tiro en octubre de 1905, estando el entonces Teniente Herrera, en la barquilla, vio caer al suelo al sargento que iba a efectuar el empalme de otro elemento de cable, por una descarga eléctrica en un día de cielo completamente azul.
Sin descender a detalles de la forma y propiedades del campo eléctrico atmosférico, cuyo estudio tomado de un informe del que escribe, sobre las causas del incendio del globo General Vives, el 12 de julio de 1925, fue publicado ya en AEREA por Gavo, y nos bastará recordar aquí lo indispensable para nuestro objeto. «Estudiado también por el Teniente coronel Herrera en el Memorial de Ingenieros en octubre de 1923».
Todo pasa como si la Tierra fuese un cuerpo electrizado negativamente, es decir, las líneas de fuerza del campo son descendentes, o de otro modo, el potencial crece con la altura; por lo tanto, a medida de la elevación, se irán encontrando potenciales mayores, llamándose gradiente eléctrico al aumento de potencial por unidad de altura, cuya cantidad viene a ser en las capas bajas, de 100 voltios por metro, es decir, que a 1,20 m. sobre el suelo, se tiene el voltaje normal de la corriente eléctrica doméstica.
A 1.000 m. hay solo un gradiente de 40 a 50 voltios, disminuyendo gradualmente después hasta la altitud de 12 a 15.000 m. en donde se cree que es nulo, por ser ya la atmósfera conductora, quizá por el predominio del hidrógeno, que a 100 kms. debe constituir los 99,5 por 100 de la atmósfera.
El campo eléctrico estará, pues, representado por la fig.30, que indica las superficies equipotenciales, que como se ve, se incurvan sobre las montañas, creando en su cúspide un campo eléctrico de mayor intensidad que en la llanura, ocurriendo lo mismo cerca del suelo cuando hay cuerpos conductores, como edificios o torres, sobre todo metálicas, deformándose las referidas superficies como indica la fig. 31.
A titulo de curiosidad diremos los valores del potencial eléctrico en la torre Eiffel a 285 m. de altura sobre el suelo: a 35 cms. de la torre, 2.200 voltios; a 1 m., 3.500 voltios; a 3 m., 5.150 voltios.
El campo eléctrico no es constante, varia con la hora, con la estación, con la latitud del lugar, etc.; presentando generalmente dos mínimos, a las 5 de la mañana y 3 de la tarde, y dos máximos, a las 9 y 20 horas, sin que se sepa la causa de estas variaciones, siendo curioso que en las proximidades de los polos el gradiente disminuye, y es nulo, mientras se manifiesta la aurora polar.
Las variaciones accidentales son enormes, pues en tiempo tempestuoso puede haber a 2 m. sobre el suelo, 3 y 5.000 voltios, sobre todo si el terreno está cubierto de vegetación arborescente, y relatos de viajeros por los desiertos de África y Asia, dicen que se oyen las crepitaciones de las chispas y de noche se ven salir resplandores de la punta de los dedos, solo con el roce de la mano en los vestidos. Palmieri y Delmann afirman que las grandes lluvias pueden prevenirse hasta con 12 horas de anticipación, por grandes y rápidos descensos del campo eléctrico.
Y terminaremos esta breve apuntación sobre el campo eléctrico terrestre, citando que para producirle es necesario suponer en la Tierra una carga de 460.000 culombios al potencial de 6,37 x 108voltios que para los medios humanos hacen el efecto de carga infinita y potencial nulo.
Nube tempestuosa. — Hemos dicho ya, que estas nubes son del tipo Cu—Ni, de gran extensión vertical; pero en algunos climas, como en Abisinia, se registran nubes con manifestaciones eléctricas intensas y que, sin embargo, son tan tenues que, al decir de Arago, podrían verse las estrellas a su través por la noche. Nuestras explicaciones se referirán al primer tipo, que es el de nuestras latitudes.
Causas de electrización de las nubes. — Una nube puede llegar a estar electrizada por diferentes causas:
1.ª Por las mismas condiciones de formación de la nube.
2.ª Por influencia; y
3.ª Por la acción de los rayos solares.
En cuanto se inicia la condensación, como los iones que existen libres en el aire son los centros principales de condensación, las pequeñas gotas formadas, relativamente conductoras, recogen toda la electricidad que el aire contenía bajo la forma de iones libres y como la densidad del aire es 770 veces más pequeña que la del agua, resulta que, aun suponiendo que solo se condense la mitad del vapor de agua contenido en el aire con 2 por 100 de humedad, la relación entre el volumen de aire al volumen de agua, que se forme, es de 77,000, por lo tanto, se ve que estas gotas pueden llegar a tener una carga eléctrica apreciable.
Y, después, la reunión de varias gotas para formar una mayor, aumenta la carga y sobre todo el potencial por ser el aumento de superficie más lento que el de volumen, pudiendo llegar a que la reunión de gotas de una centésima de milímetro en otras de 2 milímetros, haga el potencial 40.000 veces mayor que el de la primitiva, que ya era 40 ó 50 veces el normal del aire, es decir, 2.000.000 de veces el del aire, de modo, que si la cantidad de electricidad de la nube será la que había primitivamente en el aire, el potencial a que resulta puede ser enormemente mayor si la condensación que ha formado la nube es tan rápida que no permita la disipación, como ocurre con las nubes del tipo Cu—Ni, cuya formación explicamos en el anterior artículo: sin que esta explicación sea todavía bastante para esclarecer, sobre todo, el entretenimiento de la carga eléctrica de la nube.
Los fenómenos de influencia intervendrán también en gran proporción en la electrización de las nubes, pues una nube es un cuerpo colocado en el campo eléctrico de la Tierra y por este solo hecho, se electrizará positivamente por la parte inferior y negativamente por la superior, cuyas cargas se pueden separar, ya porque la nube se divida, ya porque la lluvia disipe la carga inferior positiva.
Si una nube toca una montaña, se pondrá al potencial nulo, y luego al ponerse en movimiento, puede encontrarse con otras nubes que tengan el potencial de su altura, por lo que se ve que puede haber nubes con cargas y potenciales muy distintos.
Añadiéndose a los efectos dichos los producidos por los rayos ultravioletas, que descargan los cuerpos electrizados negativamente al incidir sobre ellos, con lo que se puede disipar por este mecanismo la carga eléctrica superior de la nube y quedar solo la carga positiva.
Constitución y campo eléctrico de la nube tempestuosa. — Según se ha explicado, la constitución eléctrica de una nube puede ser muy diversa, según las circunstancias de su formación, pero generalmente se admite que es bipolar, y que en su interior reside la fuerza electromotriz que alimenta la tempestad y que en un momento cualquiera produce cargas iguales y de signos contrarios que son llevadas a sus partes superior e inferior, sin que esto quiera decir que son constantemente iguales las cargas presentes en cada extremo de la nube, ya que su velocidad de disipación es muy distinta porque la inferior es muy lentamente arrastrada por la lluvia, mientras que la superior, estando ya a 7 u 8.000 m. en donde la atmósfera es mucho más conductora, se disipa rápidamente.
En vista de esto se puede representar esquemáticamente el campo eléctrico de una nube por la fig. 32, en la que se ven diferentes líneas de fuerza; unas, a que van de la nube a tierra y producen un campo de un cierto signo, generalmente positivo; otras b, que van de la parte inferior a la superior por dentro de la nube; otras c, que arrancando de la cúspide van a tierra produciendo un campo de signo, contrario al de las a, ya que M y M' son cargas de signo contrario, frecuentemente M positiva; finalmente, otras d, que van de la parte superior a las altas regiones de la atmósfera.
Una nube tempestuosa produce, pues, en general en el suelo, dos áreas, una interior a la otra de signos opuestos, siendo el campo interior unas 30 veces más intenso que el exterior.
Relámpago y trueno. — Según se ha visto, el aire atmosférico por estar recorrido por la líneas de fuerza eléctrica que parten de la nube, está sometido a una tensión que si por efecto de la acumulación de cargas llega a ser mayor que la tensión explosiva, que es de 30.000 voltios por cm., se determina la chispa disruptiva que es el relámpago si tiene lugar en el seno de la nube o el rayo si es de la nube al suelo.
Esa chispa o descarga disruptiva representa la ruptura de la materia cuyas partículas están polarizadas por la presencia de las líneas de fuerza que resultan así más cerca de la realidad que de puras concepciones.
Los iones de oxígeno que quedan libres se recombinan más intensamente, dando lugar a ozono que es el que produce el olor característico del rayo y que, cuerpo inestable, se resuelve enseguida en oxígeno.
Si la neutralización de la electricidad es, no por chispa, sino por escape silencioso, produce el llamado efecto corona en los conductores de electricidad y que en la naturaleza son los fuegos de San Telmo, los que en la antigüedad eran los Castor y Polux de la mitología.
El trueno es el ruido que acompaña a la descarga que se compone de un continuo retumbar que dura unos segundos y a veces cerca de un minuto, lo que es producido, en primer lugar, por la diferencia de velocidades de la luz y el sonido, pues si suponemos un observador en O (fig. 33) y un relámpago de A a E, en 11 kms., el sonido D será el primero en llegar a los 3 segundos, luego de C y E a los 9 segundos para seguir ya mucho más decreciente de B y A a los 15 y 23 segundos, con lo que se explica el fuerte estallido inicial y el decrecimiento final del trueno.
A esto se añade el que el relámpago no es una chispa única sino compuesto de muchas ramificaciones como representan las diversas figuras 34 a 39 y, los ecos repetidos por las montañas, el suelo y las nubes mismas, así como las interferencias de todos estos trenes de ondas sonoras.
Este ruido característico ha producido en todas las lenguas un caso de armonía imitativa, pues, la palabra para designarle recuerda bien el fenómeno, el bronte griego, tonitruum latino, tonerre francés, thunder inglés, donner alemán.
La primera palabra sirve de raíz al nombre de las líneas que unen los puntos de igual hora de empezar una tormenta, es decir, las isócronas de la tempestad, que se llaman isobrontas.
La duración del relámpago es inferior a la de la persistencia de las imágenes en nuestra retina, por lo que para medirla se han usado procedimientos estroboscópicos, resultando ser del orden de la milésima de segundo y aún menos, habiendo otros relámpagos más largos de centésima de segundo.
Pueden los relámpagos ser lineales, ramificados y en bola, como indican las figuras citadas, no existiendo una explicación completa de este último, creyéndose que sea una masa de ozono en movimiento.
Son fenómenos oscilantes, de frecuencia no muy conocida, pero quizá se acerque a la cifra de 100.000 ó 1.000.000 por segundo, originándose así ondas electromagnéticas que pueden servir para avisar de la aproximación de las tormentas por medio de un receptor de telegrafía sin hilos, que es el fundamento de los aparatos de esta clase, llamados ceronógrafos, de los que según nuestras noticias, existe uno en el observatorio del Ebro.
La longitud del relámpago es a veces muy grande, hasta de 12 y más kms., mientras que el rayo solo alcanza el kilómetro o kilómetro y medio; pero no quiere esto decir que la diferencia de potencial entre los extremos de uno y otro sea la que resulta de los 30.000 voltios por cm., sino que según observa el físico Larmor, basta que ese potencial explosivo se produzca en algún punto y, entonces, la chispa inicial puede servir de cebo a todo el relámpago, pues igualando los potenciales en su trayecto, las cargas que estaban en un extremo, pasan al opuesto produciendo allí otra vez, el potencial explosivo que determina otra chispa y así por igual mecanismo, se propaga el fenómeno en todo el recorrido del relámpago.
El físico Wilson estima en 20 culombios la cantidad de electricidad puesta en movimiento por un relámpago de 2 a 3 kms. de longitud, con cuyo movimiento se descargan dos regiones de nube de 700 a 1.000 m. de diámetro, supuestas esféricas, es decir, unos 8 km.3de nube; por lo tanto, refiriéndonos a una nube de 24 kms. de lado y 7 ó más de altura, no es mucho suponer un volumen de 4.000 km.3de nube que tendrá carga para unos 500 relámpagos, suponiendo que no se renueva la carga eléctrica de la nube.
Sin embargo, como el número de relámpagos es muchísimo mayor, resulta que hay que admitir que la carga de la nube se renueva y efectivamente, aunque no se sepa la causa, las experiencias de C. T. R. Wilson, estiman que se reconstituye el campo eléctrico con una velocidad tal, que en el primer segundo se ha producido 1/7 de la carga primitiva y aunque el restablecimiento no es a velocidad constante sino decreciente, a los pocos minutos existe el mismo campo casi que al estallar la descarga, hasta que por las distintas causas de disipación indicadas, la nube va perdiendo electricidad y queda en estado neutro o se desvanece.
Es curioso citar que, admitiendo que en un relámpago de los 2 ó 3 kms. de longitud con 20 culombios de cantidad de electricidad, haya una tensión en el momento del estallido, de 109voltios, representa una energía (1/2 Qv.) de 1010 julios y si su duración se estima en 0,001 de segundo, resulta una potencia de ¡13. 109! caballos de vapor.
Un relámpago de 10 kms. no es mucho suponer que equivale a 28.000 kilovatios-hora, que a peseta el kilovatio, son 28.000 ptas., por lo tanto, una tormenta que dé, 5 relámpagos por segundo, que es muy poco, en un cuarto de hora, disipa una energía que vale 126 millones de pesetas.
Contando con que en toda la Tierra están evolucionando en cada instante 1.800 tormentas y que esto supone por término medio 100 relámpagos por segundo, se pierden mil millones de kilovatios, es decir, mil millones de pesetas en cada segundo. Los sabios y los ingenieros tienen ancho campo en las fuerzas de la Naturaleza.
No dejaría de ser curioso el citar aquí también, los efectos del rayo, las estadísticas de sus victimas, no despreciables, la repartición de las áreas de tormentas y demás particularidades que en una monografía, más extensa, que la que nos hemos propuesto, tendrían cabida, únicamente citaremos el efecto de una cadena de montañas sobre un frente frío, que representa la fig. 40, por la que se ve, que el aire caliente, doblemente aprisionado entre el frente frío que avanza y la cordillera, tome un movimiento más marcadamente ascendental y la nube formada puede convertirse, más fácilmente, en Cu—Ni, que tiene la expansión superior en la segunda inversión existente y se explica así, por qué las montañas son los lugares preferidos para la formación de tormentas.
Indicaremos para terminar, que los peligros que a un aéreo pueden alcanzar por el efecto eléctrico de una nube, están analizados en el mencionado artículo del Memorial de octubre de 1923, publicado a raíz del accidente mortal para el Capitán Peñaranda en la Copa Gordon Bennet e informe citado, y que estos peligros son mucho menores para el avión, sobre todo con buena comunicación eléctrica entre sus diversas partes y con el motor en marcha, pues el escape de los gases actúa como un rápido igualador de tensión con lo que, estando el avión al mismo potencial que el ambiente, la probabilidad de ser alcanzado por una descarga es la misma que la de un punto cualquiera de la atmósfera, todo lo contrario a un globo libre que, como se analiza en los trabajos citados, tiene un gravísimo peligro en la electricidad atmosférica.
Difícilmente una representación teatral, una sesión de prestidigitación, puede rivalizar siquiera con el aparato del fenómeno natural, que acabamos de esbozar y que ha sido siempre objeto de temor y respeto por parte de los humanos y ha de seguir siéndolo especialmente por los navegantes del aire.
JOSÉ CUBILLO FLUITERS
No hay comentarios:
Publicar un comentario