Introducción

Las nubes y las partículas en suspensión o aerotransportadas juegan un papel crítico en los procesos de transferencia radiativa a través de la atmósfera y en el ciclo hidrológico. Las partículas y los hidrometeoros (gotitas nubosas, gotas de lluvia y otros tipos de precipitación congelada) pueden absorber o reflejar la radiación, de modo que estas partículas son fundamentales para el estudio del clima. Las partículas también interactúan con las nubes a través de mecanismos complejos que pueden controlar indirectamente la duración o vida útil de las nubes y las tasas de precipitación que estas producen y, por tanto, sus propiedades radiativas. Es importante observar que la precipitación es el principal mecanismo de eliminación del agua, de modo que las mediciones de las partículas en las nubes y en suspensión que se describen en esta lección son útiles para muchas aplicaciones.

Introducción » Objetivos de aprendizaje

El objetivo general de esta lección consiste en desarrollar la capacidad básica de llevar a cabo estudios observacionales de las nubes y los aerosoles o partículas en suspensión. Los siguientes objetivos de aprendizaje representan una serie de pasos hacia ese objetivo y describen las habilidades que se pueden adquirir al completar la lección.

1. Enumerar y explicar las propiedades mensurables estándar de las nubes y las partículas en suspensión.
2. Describir los principales tipos de instrumentos empleados para medir las nubes y las partículas en suspensión.
3. Describir las ventajas y las limitaciones de los instrumentos clave empleados para medir los hidrometeoros y las partículas en suspensión.
4. Describir el funcionamiento de los principales instrumentos de medición de partículas en las nubes y en suspensión.
5. Usar las mediciones de las partículas en las nubes y en suspensión para interpretar las gráficas de concentraciones, distribución de tamaños y otras propiedades.

Introducción a los hidrometeoros y los aerosoles

Los hidrometeoros son partículas en la atmósfera compuestas principalmente de agua. Algunas definiciones abarcan las partículas que se forman sobre la superficie de la Tierra, como las gotas de rocío. Según otras, las partículas deben formarse por condensación, lo cual excluye el aerosol marino generado en la superficie del océano. En esta lección solo utilizaremos la definición centrada en el concepto de hidrometeoro como una partícula en la atmósfera compuesta de agua (en otras palabras: excluye el rocío, pero incluye el aerosol marino). Los hidrometeoros pueden incorporar otros componentes menores, como solutos disueltos o partículas no solubles, siempre que el agua sea el componente principal.

Los hidrometeoros difieren en cuanto a su tamaño, fase y tipo.

Los aerosoles son sistemas coloidales que se componen de partículas dispersadas en un medio gaseoso. «Coloide» significa que las partículas finas están dispersas de manera uniforme y tienen una distribución de tamaño relativamente estable. Lo más probable es que las partículas no sean homogéneas en cuanto a tamaño, forma o composición. Las partículas dispersas siempre caen en cierta medida respecto del medio gaseoso y también experimentan cambios debido a colisiones y otros efectos, de modo que la descripción «relativamente estable» debe entenderse como una declaración cualitativa que suele aplicarse a las partículas con diámetros inferiores a 1 μm, pese a que puede incluir partículas más grandes. Por convención, normalmente las nubes de gotas de agua no se consideran aerosoles. Estrictamente hablando, el término «aerosol» se debe reservar para los sistemas de dos componentes en los cuales las «partículas de aerosol» existen en el medio gaseoso. En la práctica, es común emplear el término «aerosol» para hacer referencia a las partículas. En esta lección se enfatizarán los términos «partículas en suspensión», «partículas de aerosol» y, cuando quede claro que se trata de los componentes de un aerosol, simplemente «partículas».

Introducción a los hidrometeoros y los aerosoles » Los hidrometeoros

Introducción a los hidrometeoros y los aerosoles » Los hidrometeoros » Clasificación y terminología

En las explicaciones posteriores de los instrumentos nos referiremos a las siguientes clases de hidrometeoros de uso común:

Esta gráfica de distribución de tamaños muestra los tamaños de hidrometeoros medidos en un lugar sobre el océano Pacífico. Veremos las propiedades de estas gráficas más adelante en la lección.

Distribución de tamaños de hidrometeoros medidos sobre el océano Pacífico a baja altitud. Esta gráfica reúne las mediciones obtenidas con tres instrumentos, el espectrómetro de detección de aerosoles de sensibilidad ultraalta UHSAS (Ultra-High-Sensitivity Aerosol Spectrometer), una sonda de gotitas nubosas (Cloud Droplet Probe, CDP) y una sonda de matriz óptica 2D para nubes (2DC, que en esta figura está rotulado C1DC). Las líneas de trazos naranjas marcan algunos de los rangos de tamaño mencionados arriba.

Introducción a los hidrometeoros y los aerosoles » Los hidrometeoros » Las propiedades más medidas de los hidrometeoros

Muchos estudios de los hidrometeoros requieren mediciones de las siguientes propiedades:

1. el contenido de agua líquida, congelada y total (es decir, la masa por unidad de volumen)
2. la concentración en varios rangos de tamaño (número por unidad de volumen)
3. las distribuciones de tamaños y los momentos de dichas distribuciones
4. las sustancias químicas traza en los hidrometeoros
5. la forma y el tipo de hidrometeoro (incluido el hábito cristalino del hielo)
6. la tasa o intensidad de precipitación
7. los efectos en la dispersión de la luz, incluido el albedo de las nubes

Ilustración de las tres propiedades más medidas de los hidrometeoros: su tamaño, concentración y fase.

Introducción a los hidrometeoros y los aerosoles » Otras clases de partículas en suspensión

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Es común clasificar las partículas en suspensión por su composición, origen o tamaño.

La composición de las partículas en suspensión incluye los siguientes materiales:

1. solubles, como sal marina, sulfato de amonio o cloruro de amonio, tanto naturales como antropógenos
2. minerales (polvo; componentes de arenas y suelos)
3. carbonáceos (carbono negro y compuestos orgánicos), como el humo
4. biogénicos (creados por los organismos vivos)
5. volcánicos (a menudo aerosoles de sulfatos producto de la oxidación del dióxido de azufre, cenizas)
6. aerosoles secundarios de compuestos orgánicos (formados a partir de gases condensados)
7. diversas combinaciones de estos tipos

Las partículas se pueden clasificar por su origen como:

1. marinas, principalmente como producto de la evaporación del aerosol marino
2. continentales, como el polvo y los productos de las reacciones fotoquímicas y de quema de biomasa
3. volcánicas
4. antropógenas o provocadas por el ser humano, como los productos de la combustión y de reacciones fotoquímicas relacionadas con los contaminantes

Las partículas en suspensión se pueden clasificar por su tamaño:

1. Modo fino
   • Partículas de Aitken (principalmente diámetros menores que 0,2 μm)
   • Partículas grandes o en modo de acumulación (diámetros de 0,2 a 2 μm)
2. Modo grueso (diámetros mayores que 2 μm)
   • Partículas gigantes (diámetros mayores que 2 μm)
   • Partículas ultragigantes (diámetros mayores que 20 μm)

El tamaño de las partículas también se puede clasificar en términos de umbrales de material particulado o «MP», especialmente en el contexto de describir los efectos de la contaminación del aire en la salud. Las partículas MP_2,5 son aquellas con diámetros menores que 2,5 μm, mientras que MP₁₀ incluye todas las partículas con diámetros menores que 10 μm. Las partículas de clase MP₁₀ pueden ingresar a los pulmones al respirar, aunque a menudo las detienen otras estructuras, como la faringe, la laringe o la tráquea. Las partículas MP_2,5 son particularmente peligrosas porque pueden llegar a las zonas más profundas de los pulmones, donde irritan y corroen la pared alveolar y, en consecuencia, pueden perjudicar la función pulmonar.

Distribución de tamaños de las partículas en suspensión medidas a baja altitud sobre el océano Pacífico. Esta gráfica combina las mediciones obtenidas con dos instrumentos, un espectrómetro de detección de aerosoles de sensibilidad ultraalta UHSAS (Ultra-High-Sensitivity Aerosol Spectrometer) y una sonda de gotitas nubosas (Cloud Droplet Probe, CDP). Las líneas naranjas marcan algunos de los rangos dimensionales que se describen en la lección. La línea de trazos rotulada «Junge» muestra la pendiente que suele observarse para las partículas grandes y gigantes, que se conoce como la distribución de Junge.

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Los estudios de las partículas en suspensión a menudo pueden medir las siguientes propiedades:

1. la concentración en varios intervalos de tamaño
2. la masa total y el área de superficie total en varios intervalos de tamaño
3. la distribución de tamaños y los momentos de esas distribuciones
4. la composición química
5. las propiedades radiativas de las partículas individuales
6. los efectos conjuntos en la dispersión de la luz
7. las propiedades de activación de las nubes (activación de las nubes y nucleación del hielo)

En esta foto, el humo, que se compone de partículas de aerosol carbonáceo, queda atrapado a lo largo de los valles, mientras que las nubes están presentes a lo largo de las laderas de las montañas.

Introducción a los hidrometeoros y los aerosoles » Preguntas sobre los hidrometeoros y las partículas en suspensión

Conteste las preguntas siguientes a la luz de la información que se ha presentado hasta ahora.