Los científicos decodifican la congestión de la formación de lluvia

Un estudio realizado por investigadores de NSF NCAR muestra que las turbulencias aceleran significativamente la formación de lluvia en las nubes, según simulaciones avanzadas y datos de una campaña de campo de la NASA. Este descubrimiento es crucial para mejorar la previsión meteorológica y climática.

Los nuevos hallazgos tienen el potencial de mejorar los modelos informáticos utilizados para predecir el tiempo y el clima.

Durante décadas, los científicos han tratado de desentrañar la intrincada y enigmática secuencia de eventos que permiten que pequeñas gotas en las nubes crezcan lo suficiente como para caer al suelo. Obtener una comprensión más profunda de este proceso, conocido como «cuello de botella en la formación de lluvia», es crucial para mejorar las simulaciones de tiempo y clima mediante modelos informáticos, lo que a su vez conduce a predicciones más precisas.

Ahora, un equipo de investigación dirigido por científicos del Centro Nacional de Investigación Atmosférica (NSF NCAR) de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. ha descubierto que los movimientos turbulentos del aire en las nubes desempeñan un papel clave en el crecimiento de las gotas y el comienzo de la lluvia.

Los investigadores aplicaron modelos informáticos avanzados a observaciones detalladas de gotas en cúmulos tomadas durante NASA campaña de campo. Esto les permitió seguir los impactos de la turbulencia en las gotas embrionarias que eventualmente se fusionan en gotas de lluvia.

«Esta investigación muestra que los efectos turbulentos sobre la coalescencia de las gotas son críticos para la evolución de los tamaños de las gotas y el inicio de la lluvia», dijo el científico de NSF NCAR Kamal Kant Chandrakar, el autor principal. «La turbulencia en los cúmulos acelera sustancialmente la lluvia y provoca cantidades de lluvia mucho mayores».

Chandrakar y sus colegas descubrieron que la lluvia se formaba unos 20 minutos antes en simulaciones por computadora con turbulencia que en simulaciones por computadora sin turbulencia. La masa de agua de lluvia fue más de siete veces mayor en las simulaciones que incluyeron turbulencias.

El estudio fue publicado en la revista Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias. Fue financiado por la NASA, el Departamento de Energía de Estados Unidos y la NSF.

De pequeñas gotas de agua a lluvia

El proceso de lluvia comienza cuando pequeñas gotas de agua en las nubes se condensan alrededor de partículas microscópicas de polvo, sal u otros materiales, que se denominan núcleos de condensación de nubes (CCN). A medida que millones de gotas chocan, se fusionan en gotas más grandes que eventualmente se vuelven lo suficientemente pesadas como para caer de la nube.

La formación de gotas de lluvia puede variar bajo diferentes condiciones, como la distribución de diferentes tamaños de las gotas de las nubes, así como otros factores como los movimientos turbulentos y las propiedades de las partículas en las nubes.

Representar este proceso correctamente en modelos informáticos de fenómenos meteorológicos y del sistema climático es vital para mejorar la fiabilidad de estos modelos. La coalescencia de las gotas de agua es importante no sólo para predecir con precisión las precipitaciones, sino también para comprender mejor la evolución de las nubes y en qué medida reflejan el calor de regreso al espacio y, por lo tanto, afectan las temperaturas.

Para provocar la aparición de lluvia, Chandrakar y sus colegas recurrieron a observaciones de distribuciones de tamaño de gotas tomadas por aviones de investigación que volaron hacia nubes cúmulos congestus durante una campaña de campo de la NASA de -2019, el Experimento de Filipinas sobre procesos de nubes, aerosoles y monzones (CAMP2Ex).

Utilizando un modelo informático especializado, el equipo de investigación desarrolló una serie de simulaciones de alta resolución para recrear las condiciones de las nubes que se observaron durante la campaña y ver cómo las gotas se fusionaban con diferentes flujos turbulentos.

Las simulaciones mostraron el papel importante de la turbulencia tanto en el momento como en la extensión de las precipitaciones. También indicaron que la presencia de grandes CCN, que era el foco de algunas teorías sobre la formación de lluvia, no podía explicar los tamaños observados y la evolución de las gotas. En las simulaciones con CCN grande y poca turbulencia, la coalescencia de las gotas se produjo más lentamente y generó menos lluvia.

«El desarrollo de la lluvia es fundamental para las nubes, el tiempo y todo el sistema climático», dijo Chandrakar. «Una mejor comprensión de este proceso podría señalar el camino hacia mejoras significativas en nuestros modelos informáticos y, en última instancia, en la previsión meteorológica y las proyecciones climáticas que ayuden a proteger a la sociedad».

Referencia: «¿Son esenciales los efectos de la turbulencia sobre la colisión y coalescencia de las gotas para comprender la formación observada de lluvia en las nubes?» por Kamal Kant Chandrakar, Hugh Morrison, Wojciech W. Grabowski y R. Paul Lawson, 25 de junio de 2024, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.
DOI: 10.1073/pnas.2319664121

Este material se basa en un trabajo apoyado por el Centro Nacional de Investigación Atmosférica de la NSF, una importante instalación patrocinada por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y administrada por la Corporación Universitaria para la Investigación Atmosférica.