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Ciencia Nuestra de cada Día

La Naturaleza nos sorprende cada instante con multitud de fenómenos que despiertan nuestra curiosidad. La Ciencia Nuestra de Cada Día es un espacio en el que Ángel Rodríguez Lozano nos incita a mirar a nuestro alrededor y descubrir fenómenos cotidianos que tienen explicación a la luz de la ciencia.

¿Por qué flotan las nubes?

Las nubes - Ciencia Nuestra de Cada Día Podcast - CienciaEs.com

Hace 24 años que acuñé el nombre de este podcast, “La Ciencia nuestra de cada día”, porque pensaba, y pienso, que todo lo que sucede a nuestro alrededor tiene un porqué, una razón de ser para la que nuestra mente busca explicación con la ayuda de la Ciencia. Son fenómenos cotidianos que podemos observar, si tenemos la mente abierta y nos hacemos las preguntas adecuadas. Hace unos días, para no ir más lejos, paseando por el campo, me detuve a disfrutar del paisaje. Ante mis ojos se ofrecía la tierra desnuda, salpicada en algunos puntos por el reflejo del agua de un riachuelo y las montañas lejanas. Elevé la vista y, más arriba, las nubes formaban una extensa cubierta gris que se alejaba también hasta juntarse con la tierra, allá en el horizonte. Entre ambas, una extensa región de aire transparente separaba la tierra y del mar de nubes. Tierra, aire y nubes, un sándwich natural al que estamos acostumbrados pero.. ¿por qué es así?

¿Qué razón obliga a las nubes a estar allí a lo alto, desplegadas a cierta altura como un inmenso paraguas?

No fue la única pregunta que vino a mi mente. Hace apenas unas semanas inmensas trombas de agua inundaron muchos lugares de España. Las lluvias torrenciales arrasaron pueblos enteros, desbordaron ríos y anegaron los campos de cultivo. Toda esa agua estuvo primero en las nubes, en esas nubes que flotan ingrávidas en lo alto, tan livianas que parecen no pesar nada. A juzgar por el diluvio, las nubes debían contener millones de toneladas de agua, debían ser muy pesadas ¿Cuánto pesa una nube y por qué flotan? Si contienen tanta agua que pueden inundar comarcas enteras ¿cómo es que no se caen?
La ciencia nos explica que las nubes están hechas de agua, agua en forma de pequeñas gotitas o de cristales de hielo, lo suficientemente grades como para dispersar la luz del Sol. Es esa luz dispersada la que al llegar a nuestros ojos nos permite verlas como masas flotantes de aspecto algodonoso.
Agua, ahí está el secreto. Vivimos en un planeta en el que la temperatura es ideal para que el agua esté presente en sus tres estados, sólido, en forma de hielo o nieve, líquido y gas. Y los tres estados coexisten simultáneamente. Así pues, la respuesta a todas esas preguntas subyace en el más diminuto componente de ese preciado elemento: la molécula de agua.
Volví a mirar el panorama que me rodeaba, pero, esta vez, con otros ojos. Los ojos del agua.
Bajo mis pies, la tierra. Un terreno entre cuyos intersticios en mayor o menor medida se cuelan las moléculas de agua. Agua en estado líquido que empapa la tierra o fluye a veces en la superficie por los ríos, lagos y mares.
Más arriba, en las nubes, el agua otra vez. Allí formando pequeñas gotitas de líquido o cristales de hielo.
¿Y en medio? El aire, una mezcla de gases, 78% de nitrógeno, 21% de oxígeno y el 1% restante se compone de gases como el dióxido de carbono, argón, neón, helio… y, por supuesto, agua. Agua en estado gaseoso, formada por moléculas dispersas y separadas entre sí, mezclada con el resto de los gases atmosféricos. Pero las moléculas tan pequeñas que no las podemos ver y en estado gaseoso, esas moléculas están tan separadas unas de otras que la luz se cuela entre ellas sin problemas, por eso el agua en estado gaseoso es transparente, como el aire. Hablamos de aire húmedo o seco, dependiendo de la cantidad de vapor de agua que contiene, pero el agua siempre está ahí, aunque no la veamos.
Todo el conjunto reposa sobre la superficie terrestre, porque la gravedad del planeta lo atrae. El terreno, más pesado, en la base, y por encima la atmósfera que bien podríamos interpretarla como un profundo océano de aire. En ese océano las cosas más livianas tienden a flotar. Las nubes navegan por él ¿Por qué?
Para entender lo que sucede imaginemos que tenemos ante nosotros una gota pequeñita de agua suspendida en el aire. Imaginemos que tenemos una super-visión capaz de distinguir moléculas individuales justo en la superficie del líquido. Si fuera así observaríamos mucho movimiento. En el interior de la esfera de líquido, bajo la superficie que la separa del aire, las moléculas de agua están muy juntas, en contacto entre sí, aunque con libertad de movimiento, deslizándose unas sobre otras. Fuera de la gota, en cambio, las moléculas de agua están en forma gaseosa y se mueven libremente, muy distantes entre sí, a gran velocidad, entre los otros componentes del aire. Pero si pudiéramos observar lo que sucede justo en la superficie de la gota, es decir, en la frontera que separa al líquido del gas, veríamos que algunas moléculas del líquido logran escapar de él y se incorporan al gas, mientras que otras moléculas que están formando parte del gas, chocan con la superficie de la gota y quedan atrapadas. Unas escapan y otras son capturadas.
Por supuesto esta situación admite varias posibilidades. Si la gota captura más moléculas de las que se liberan, la cantidad de líquido aumenta. La gota engorda. Si, por el contrario, se liberan más moléculas hacia el gas de las que se capturan, la cantidad de líquido disminuye. La gota adelgaza. Solamente cuando el intercambio es en igual número, entran tantas como salen, se produce un equilibrio. Éste es el juego que alimenta todo el proceso.
Lógicamente en ese intercambio pueden influir varios factores. Si el ambiente alrededor de la gota es muy húmedo, es decir, contiene mucho vapor de agua, el número de choques de moléculas con la gota aumenta y eso favorece la captura y crecimiento de la gota. Si por el contrario, el ambiente es muy seco y hay pocas moléculas de vapor, escaparán más moléculas de las que entran en el líquido y la gota adelgazará. La temperatura juega un papel muy importante porque cuanto mayor es la temperatura, más energía tienen las moléculas en su movimiento y por lo tanto les es más fácil escapar del líquido e incorporarse al gas. En cambio, si la temperatura desciende, sucede lo contrario, escapan menos moléculas del líquido y en cuanto a las del gas, como se mueven más despacio, son más fáciles de atrapar.
Con esto ya se pueden explicar muchas cosas de aquel paisaje que describía al principio. Vayamos de abajo a arriba. El terreno bajo mis pies está húmedo, es decir, contiene una cantidad de agua líquida en cuya superficie se producen intercambios de moléculas como en la gota del ejemplo. Si en lugar de la tierra consideramos una masa líquida, como el agua de un río, un lago o el mar, sucede lo mismo, con más razón. Al ser calentado por el Sol, la temperatura del terreno sube y, como sucedía en la gota, se produce una pérdida de moléculas que se incorporan al gas. El aire situado encima del terreno también se calienta, se expande y se eleva, arrastrando con él muchas de las moléculas de agua liberadas. Así pues, al alejarse de la superficie líquida, las moléculas de agua no pueden volver a ella. Se recrudece el desequilibrio, se pierden más moléculas de las que regresan y una parte del líquido se va convirtiendo en gas. Si sopla una brisa de viento, éste arrastra las moléculas de vapor de agua y favorece la evaporación.
Todo esto aumenta la cantidad de moléculas de agua en el aire que ocupa el espacio entre el suelo y las nubes. No vemos ese vapor porque, como dije, todas las moléculas son tan pequeñas que la luz atraviesa el aire sin problemas, es transparente. Ese volumen de aire cargado de vapor sigue calentándose y expandiéndose, se hace más liviano y comienza a elevarse. En su seno pueden existir en un momento dado algunas gotitas pequeñas de agua pero van perdiendo líquido y se convierte en vapor, se reducen de tamaño y desaparecen.
Así pues, cuando miraba ese enorme espacio de aire transparente entre el terreno y las nubes, lo que lo llena es aire enriquecido de moléculas de agua. Lógicamente, si el ambiente es muy seco, habrá menos moléculas de vapor que si es húmedo.
Así se inicia una corriente ascendente de aire cargado de vapor de agua. Pero la atmósfera está más fría cuanto más arriba nos encontramos, de hecho, la temperatura baja, por término medio, 6,5ºC por cada kilómetro que subimos. Así, la masa de aire se va enfriando poco a poco y las moléculas de vapor van moviéndose más despacio, perdiendo energía. Llega un momento, y eso se produce a una determinada altura, en el que, si tuviéramos una gota de agua, el equilibrio entre agua líquida y vapor se rompería en sentido inverso, es decir escaparían menos moléculas de las que captura. Así comienzan a formarse pequeñas gotitas de agua a partir de semillas que pueden ser motas de polvo o cristales en suspensión sobre los que es más fácil que se unan las moléculas de agua. Poco a poco esos puntos van engordando a medida que capturan más moléculas de su entorno y cuando adquieren un tamaño cercano a las 10 micras, es decir una centésima de milímetro, ya son lo suficientemente grandes como para dispersar la luz del Sol. Esa luz dispersada por muchísimas gotas nos permite ver el conjunto en forma de nube.
Lógicamente las circunstancias mandan y dependiendo de la humedad ambiente, los vientos reinantes, los cambios de temperatura, etc. Las nubes se formarán en mayor o menor medida y a mayor o menor altura o, simplemente, si no hay humedad suficiente, no se formarán.

¿Por qué flotan las nubes?

Como he dicho, la nube se forma a partir de la condensación del vapor que hay en el aire húmedo y el aire húmedo es mas liviano que el aire seco. Basta con sumar la masa de los componentes del aire y comparar. El aire seco está compuesto de nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono y otros gases en muy poca cantidad. Hay una propiedad de los gases que dice que en unas condiciones determinadas de presión y temperatura, un volumen de un gas tiene siempre el mismo número de moléculas. Así pues, si tenemos un litro de aire seco, para convertirlo en húmedo, en las mismas condiciones, deberemos introducir moléculas de agua y sacar algunas de las que hay dentro para que la cantidad no varíe. Ahora bien, la molécula de agua pesa menos que la de nitrógeno, que la de oxígeno o la de dióxido de carbono. Solamente hay que sumar sus pesos atómicos. La molécula de nitrógeno tiene dos átomos y tiene una masa de 28 unidades de masa atómica o daltons, la de oxígeno 32 daltons y la de dióxido de carbono, 44 daltons. La molécula de agua en cambio, como tiene un solo átomos de oxigeno y dos de hidrógeno, su masa es tan solo de 18 daltons, bastante menor que las otras. Así pues, cuanto más vapor de agua contenga el aire, más liviano es. Esa diferencia se mantiene en el momento de la formación de las nubes, por eso flotan sobre el mar de aire.

¿Y cuánta agua contiene una nube?

El hecho de que podamos ver una nube con toda claridad no quiere decir que sea una masa compacta de gotas de agua. Todo lo contrario, la nube sigue siendo prácticamente aire en el flotan una pequeñísima cantidad de gotitas de agua muy distantes entre sí, que al ser tan pequeñas pueden ser arrastradas por el aire ascendente. Se ha calculado que en un metro cúbico de en una nube típica, la que llamamos cúmulo, si juntáramos todas las gotitas apenas obtendríamos medio gramo de agua. En volumen podemos decir que por cada mil litros de nube hay medio mililitro de agua. Prácticamente nada. Pero las nubes pueden ser muy grandes y muchos poquitos hacen un mucho. Un cúmulo típico puede tener un kilómetro de largo, un kilómetro de ancho y otro de alto. Una sencilla operación nos permite obtener el peso de agua que contiene: 500 toneladas. Si tenemos en cuenta que en las grandes tormentas las nubes pueden alcanzar los 20 kilómetros de altura y tener muchos kilómetros de ancho, la cantidad de agua que pueden desprender es enorme.
No es de extrañar, pues, que, cuando las gotitas de agua de una de esas nubes enormes crecen en tamaño y empiezan a descender por gravedad, uniéndose unas a otras para formar gotas más grandes, terminen descendiendo en forma de enormes aguaceros, capaces de desbordar ríos y anegar casas y cultivos.
Pero no seamos aguafiestas, lo normal es que las nubes sean más pequeñas. Ideales para que caiga de ellas una suave lluvia que empapa el suelo lo suficiente como para que todo el ciclo del agua comience de nuevo.

(Angel Rodríguez Lozano, 16/10/2019)


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