La presencia del vapor de agua en la atmósfera se debe a la presencia de agua líquida en el planeta. Esto es independiente de la temperatura. Si hay agua en la Tierra hay vapor de agua, ya que la evaporación del agua se produce a cualquier temperatura siempre que exista transferencia de energía. Cuando la masa de aire no está saturada (humedad relativa del 100%) la cantidad de agua evaporada se compensa con una cantidad de agua igual condensada. El cambio de estado líquido a gaseoso requiere energía, que se emplea en vencer la atracción intermolecular en el agua líquida. Esta energía se obtiene del calor desprendido por los cuerpos próximos. Así pues la evaporación hace disminuir la temperatura.

La velocidad de evaporación depende de varios factores, pero los dos más importantes son: la presión de vapor de saturación, tanto en la superficie del agua como en el aire y el suministro continuo de energía al agua. Otro factor importante es el viento, ya que el aire frío no saturado absorbe la humedad con mucha eficacia.

A una temperatura dada existe un límite para la densidad de vapor de agua que hay en el aire. Este límite se llama presión de vapor saturante. Cuando la presión de vapor está saturada para que se pueda introducir más vapor de agua en la atmósfera debe de producirse una condensación igual a la cantidad de vapor nuevo.

La presión de vapor varía con la latitud y la estación del año. En lugares y épocas frías es muy baja (puede llegar a 0,2 mb) y en lugares y épocas cálidas alta (puede llegar a 30 mb). El desplazamiento horizontal o vertical del aire hace disminuir la presión de vapor, lo que explica que en los anticiclones tropicales la humedad relativa sea baja y en las zonas de bajas presiones la humedad relativa sea alta. Como se puede ver estos valores influyen muy poco en la presión atmosférica del aire. En cualquier caso estos valores son así con la atmósfera actual. La presión de vapor es otra forma de medir la humedad relativa del aire.

La condensación consiste en pasar del estado gaseoso a líquido. El estado líquido requiere menos energía, ya que no es necesaria tanta energía para mantener separadas las moléculas. Así pues la condensación hace aumentar la temperatura a través de la liberación del calor latente.

Para que se produzca condensación en una determinada masa de aire ha de variar uno de estos tres factores: el volumen del aire, la temperatura o la presión de vapor de agua o humedad relativa. La condensación se produce cuando el volumen de aire aumenta sin intervención del calor, cuando disminuye la temperatura o cuando aumenta la humedad relativa y es que en todos esos casos la presión de vapor disminuye y cuando alcanza un punto crítico y el aire no puede seguir conteniendo vapor de agua el agua se ha de condensar para mantener el equilibrio.

Además, para que se produzca la condensación ha de haber en la atmósfera núcleos sólidos sobre los que se condense el agua. Estos núcleos están presentes en la Tierra desde la atmósfera primigenia. La existencia de núcleos de condensación en la atmósfera no es un problema mayor que en la actualidad, ya que las emisiones volcánicas debieron proporcionar buen número de ellos. La condensación también puede producirse directamente sobre la superficie terrestre, pero esta condensación no llega a formar gotas de lluvia. De todas formas conviene señalar que en la actualidad la mayor parte de los núcleos higroscópicos proceden del polvo que levanta el viento, de la sal liberada por la espuma de las olas y de la combustión.

Las gotas de agua muy pequeñas se evaporan muy rápidamente, por lo que para que aparezca una gota de lluvia debe de tener un tamaño mínimo. Las gotas que conforman una nube tienen entre 1 y 50 micras, mientras que las gotas de lluvia tienen como mínimo 1 milímetro de diámetro. Así pues, la condensación no basta para explicar el mecanismo de la lluvia. También ha de tenerse en cuenta que las gotas de lluvia, en su caída, sufren evaporación durante su «viaje» por la parte de masa de aire que no está saturada. Una gota de 0,1 milímetro se evapora en tan sólo 150 metros, a una temperatura de 5 ºC y con un 90% de humedad. En cambio, en esas condiciones, una gota de 1 milímetro necesitaría 42 kilómetros para evaporarse. Así pues, si la temperatura del aire es muy alta y la humedad relativa muy baja las gotas de lluvia podrían evaporarse antes de llegar a la superficie.

No basta con que exista condensación para que se desencadene el mecanismo de la lluvia, además, ha de haber un proceso de crecimiento de las gotas de lluvia hasta que alcancen un tamaño suficiente como para ser atraídas por la gravedad terrestre. Además, sabemos que no hay lluvia en nubes excesivamente turbulentas. Dos son las teorías que explican este crecimiento de las gotas de lluvia: la teoría de la coalescencia y la teoría de Bergeron.

Si preguntamos a la gente cómo crecen las gotas de lluvia la respuesta de casi todo el mundo es «juntándose», es decir, por coalescencia, pero la acreción de las gotas de lluvia no es sencilla. Dos gotas de agua de tamaño similar si llegan a chocar en la atmósfera lo más normal es que se disgreguen, y no que se «junten». Para que se produzca la acreción una de las gotas ha de ser mucho mayor que la otra. Por otra parte es necesario un barrido en el recorrido de las gotas para que entren en contacto unas con otras y lleguen a adherirse. Los cálculos experimentales demuestran que las gotas deben de tener radios mayores a 19 micras para que puedan soldarse unas con otras. Las gotas más pequeñas son barridas hacia un lado ante una gota grande.

Pero ¿cómo aparecen esas gotas grandes? En una nube cuyo límite superior no está por debajo del punto de congelación sería necesaria la presencia de núcleos de condensación gigantes para que se produzcan esas primeras gotas.

El mecanismo de la coalescencia puede ser complementario al de Bergeron, es decir funcionar una vez creadas las primeras gotas de lluvia lo suficientemente grandes.

La teoría más plausible es la Bergeron. Su fundamento es que la humedad relativa del aire es mayor con respecto a una superficie de hielo que con respecto a una superficie de agua. Afirma que en toda nube la parte superior está por debajo de los cero grados. Entre los -5 ºC y los -25 ºC la diferencia entre la presión de vapor de agua entre una superficie de hielo y otra de agua es de 0,2 mb. En estas condiciones coexisten cristales de hielo y vapor de agua subenfriado. En el aire puro el vapor de agua puede estar subenfriado hasta -40 ºC antes de que se congele espontáneamente.

Una vez formados los cristales de hielo estos crecen rápidamente. El vapor de agua subenfriado se congela por sublimación en torno a los cristales de hielo. Además, estos cristales adquieren las formas hexagonales dentadas típicas que aparecen con la congelación del agua. A través de las irregularidades de la superficie de los cristales de hielo estos se van engarzando y creciendo. Se forman, así, copos de nieve. La temperatura óptima para la formación de copos de nieve es entre los 0 y los -5 ºC. Cuando el tamaño de los copos de nieve es suficientemente grande como para vencer la gravedad terrestre comienzan a caer. Si en sus descenso alanzan temperaturas superiores a los 0 ºC se convierte en gotas de agua.

Al igual que en la teoría de la coalescencia es necesario que existan núcleos de condensación en la de Bergeron es necesario que existan núcleos de congelación. Los núcleos de congelación son menos numerosos que los de congelación. A -30 ºC apenas existen los 10 por litro. No obstante, a temperaturas más elevadas son más abundantes. La caolinita, procedente del polvo de arcilla, es núcleo de congelación entre los -9 y -4 ºC. El origen de los núcleos de congelación en la atmósfera no está claro. Normalmente se atribuyen a polvo en suspensión pero también a las emisiones volcánicas. Otras hipótesis, como la desintegración de meteoritos no están tan claras, ya que no existe relación entre una mayor caída de meteoritos y el aumento de las precipitaciones.

Esta teoría explica la mayor parte de los hechos observados en las precipitaciones, pero no todos. Se ha comprobado que en cúmulos existentes sobre las masas de agua tropicales dan lluvia aun cuando su potencia es tan sólo de 2.000 metros de espesor y la temperatura de la parte superior de la nube supera los 5 ºC. A este tipo de nubes se llaman nubes cálidas. Esta nubes cálidas puede aparecer incluso en las tormentas de verano de las latitudes medias, aunque son excepcionales.

Siguiendo la teoría de Bergeron se ha intentado, con éxito, provocar lluvias «sembrando» una nube con núcleos de congelación, lo que quiere decir que el mecanismo funciona, y que la teoría, al menos en sus puntos básicos, es correcta. No obstante, si se desencadena prematuramente el mecanismo de congelación las corrientes de aire ascendente se para y la nube se dispersa, por lo que no siempre es posible desencadenar la precipitación.

Esta teoría explica porqué en invierno vemos que en el valle llueve y en las cumbres de las montañas nieva; y de la formación del granizo. Cuando en todo el recorrido desde la nube al suelo no se superan los 0 ºC la precipitación es en forma de nieve. Normalmente entre el punto de fusión y la conversión de la nieve en agua hay unos 300 metros de diferencia. Cuando la temperatura en la superficie está entre 1,5 y 4 ºC aparece el aguanieve.

El granizo se forma cuando la gota de agua, ya líquida, vuelve a ascender por la potencia de las corrientes de aire ascendente. En este proceso atrapa burbujas de aire, lo que le da su característico color blanco. Cuando el contenido de agua líquida de la nube es escaso se produce granizo blando, muy común en invierno y primavera. El granizo duro se produce cuando el contenido de agua líquida es muy abundante. Para ello es necesario que el copo de nieve se licúe en algún momento. El granizo blando es más raro; se produce cuando el copo de nieve se licúa, se vuelve a congelar y precipita. Con este proceso de ascenso y descenso, de licuación y congelación el granizo presenta una estructura en capas concéntricas de hielo transparente y opaco. El embrión es una gota de lluvia que ha sido arrastrada hacia arriba volviéndose a congelar. Las capas de hielo opaco es producto de la sublimación del vapor de agua sobre el hielo, y las capas de hielo transparente de la congelación del agua líquida gracias a una película mojada en la capa más externa de la bola de granizo.

La dificultad de esta teoría para explicar las primera lluvias en la Tierra es que exigen una atmósfera fría, en la que pueda desencadenarse el mecanismo de Bergeron. ¿Existió en toda la historia de la Tierra una atmósfera lo suficientemente fría como para permitir esta mecanismo?

http://weblogs.madrimasd.org/remtavares/archive/2007/02/19/33206.aspx