Una historia de pluviómetros. Parte II (de las medidas modernas a la actualidad)

La Parta I de este artículo apareció en la RAM de septiembre de 2010.

http://www.tiempo.com/ram/10782/una-historia-de-pluvimetros-parte-i-de-las-primeras-medidas-a-las-modernas/

Medidores de lluvia contemporáneos

Medidores manuales

Sevruk y Klem (1989) estiman que hay unos 50 pluviómetros funcionando manualmente en el mundo. Solamente es necesario describir un ejemplo típico aquí.

Figura 2. Medidor de lluvia de 5 pulgadas de la UK Met Office con cilindro de medida graduado. 

Medidor moderno de la UK Met Office Mark 2

Este calibrador clásico de cinco pulgadas (figura 2) ha sido el estándar en el Reino Unido durante todo el siglo XX y continúa en el XXI. Almacena el agua recogida en una botella bajo tierra, llevando a cabo el equivalente de 75 milímetros de lluvia, y se lee diariamente usando un cilindro graduado. Bases más grandes permiten medir cantidades semanales o mensuales de lluvia que se almacenará en uno de  680 mm, otros 1270 milímetros.

Los pluviómetros  de grabación mecánica

Los registradores operados por flotadores

Un pluviómetro típico de lluvia de grabación en papel es el sifón de inclinación de Dines (1920) (figura 3), la lluvia cae en un cilindro que contiene un flotador que se eleva mientras el agua entra, moviendo una pluma encima de una carta de papel. Cuando el flotador se acerca al tope lanza un retén que hace que el cilindro vuelque, comenzando el proceso del sifonado o vaciado. Cuando está casi vacío, el cilindro se inclina de nuevo a su posición vertical.

El registrador natural del sifón de Negretti y Zambra es similar al de Dines pero el sifón consiste en dos tubos coaxiales. Cuando el agua alcanza el tope del tubo externo, la acción capilar asegura que el vaciado con el sifón comience y sea decisivo. El calibrador de sifón de Hellmann, diseñado en Alemania en 1897, utiliza un sifón con un tubo largo para asegurar la acción neta (Kurtyka, 1953).

Figura 3. Medidor de lluvia de pesada tipo Dines: (a) completo, (b) abierto para mostrar su mecanismo.

Registradores de pesada

Los medidores de lluvia de pesaje mecánicos funcionan registrando el peso de la precipitación acumulada en un envase, suspendiendo el envase en un resorte o un brazo de balancín, el movimiento, que es magnificado por las palancas, mueve una pluma. Un medidor de pesaje, como un calibrador de flotador, debe vaciarse regularmente.

Osler (Kurtyka, 1953) hizo uno de los primeros calibradores de lluvia de pesaje en el Reino Unido en 1837 en el cual el receptor tenía un sifón que se vaciaba cada 0.25 pulgadas (cerca de 6 milímetros) de lluvia. Muchos y diversos tipos de registrador por pesaje se han hecho desde entonces: algunos se vacían a mano, algunos sacan el agua con un sifón, otros utilizan contenedores los cuales se inclinan por completo cuando están llenos.

Medidores de lluvia eléctricos

Cubos inclinados

Los medidores de cubo inclinado son los tipos más comunes de hoy en los medidores de lluvia automática (Strangeways, 2007). Mientras que el diseño del Wren sólo se vuelca a un lado, en los de Crossley 1829 se diseñó con un cubo de doble cara. Tales diseños son los que han llegado al siglo XX, pluviómetros que se hacen con cubos  que se inclinan a los 0.1, 0.2, 0.25, 0.5 y 1 milímetro (figura 4).

La inclinación del recipiente mueve un imán más allá de un interruptor de láminas que entra en contacto cerrando un circuito y registrando la lluvia (hoy a un data-logger). Las inclinaciones se registran o como número total o como la hora y la fecha de cada caída. Sus limitaciones son relativamente pocas (Hanna, 1995; Strangeways 2007).

Figura 4. Mecanismo de balancín, en uno de los lados contiene agua.

Calibradores de lluvia de pesaje electrónicos

Colocando el envase del agua en una célula de carga, el peso acumulado de la precipitación puede ser registrado. Para un funcionamiento sin atención, algunos medios de vaciar el envase son automáticos y necesarios, generalmente vaciando el sifón.

Calibradores de capacitancia

En un reciente desarrollo específicamente, el agua recogida es medida y almacenada en un cilindro que contiene los electrodos que actúan como las placas de un condensador  y donde el agua  es el dieléctrico. La constante dieléctrica del agua es alrededor de 80 y la del aire 1. Incluyendo el condensador en un circuito, la profundidad del agua puede ser medida. Este tipo de calibrador se utiliza actualmente en las boyas en los Océanos Pacífico y Atlántico en su zonas ecuatoriales en el proyecto TAO, Tropical Atmosphere and Ocean.

Calibradores cuentagotas

Varios medidores fueron desarrollados en el siglo XIX  de forma que las gotas del agua recogidas eran contadas, en un diseño moderno que fue descrito por Norbury y White (1971). Esto da una buena medida de la tasa de precipitación  y así permitir que los totales de precipitación sean calculados, pero el tamaño de la gota varía debido a los cambios en la tensión superficial, limitando la exactitud.

Combatiendo los efectos del viento

Una descripción de los errores de los medidores de lluvia (Strangeways, 1996; 2004; 2007) no es apropiada en un artículo sobre la historia de los medidores de lluvia, pero es necesario mencionar que minimizar los errores del viento es parte de la historia. Jevons y Symons habían demostrado en el siglo XIX porqué el viento causaba la reducción de lo recogido con la altura, pero ¿cómo podría ser combatido?

Protectores de viento

Una tentativa inicial de combatir el problema del viento fue hecha por Nipher (1878), que rodeó el medidor con un protector en forma de trompeta  invertida y que desviaba el viento hacia abajo (figura 5 (a)). Un problema era que la nieve se podría acumular en él.

Figura 5. (a) Protector de viento de Nipher (b) Protector de viento de Alter (c) Protector de viento de Tretyakov (d)  Protector de doble valla. Intercomparación de protectores  (no están todos a la misma escala)

La pared de césped

Huddleston (1933) realizó pruebas prácticas en un sitio de la altiplanicie en el distrito inglés de Lake en los años 1920s/ 1930s para encontrar la mejor exposición del calibrador de lluvia en condiciones montañosas y ventosas. Él concluyó que el muro de césped  `era el mejor´; la altura de la pared era igual que la altura del calibrador.

El medidor de hoyo

Aunque Boase hubiera sugerido en 1822 que exponer los medidores de lluvia con sus orificios en el nivel del suelo evitaría el problema del viento, no se tomó ningunas medidas hasta que Thomas Stevenson (1842) enterrara un medidor de lluvia con su borde apenas sobre el nivel del suelo, rodeado por una estera de cerdas para prevenir las salpicaduras (Knowles Middleton, 1969). La idea no fue entonces adoptada.  Koschmeider (1934) diseñó un calibrador mejorado de hoyo, pero la idea no fue otra vez considerada. Treinta años más tarde  Rodda (1967a; 1967b) reintroducido la idea en el Instituto de Hidrología (ahora Centro para la Ecología y la Hidrología), para asegurar una medida exacta de la precipitación para un experimento de largo plazo del balance de hídrico en el centro del País de Gales. En este diseño (figura 6) una reja substituye las cerdas de las instalaciones anteriores.

Los hoyos, sin embargo, se pueden llenar de nieve o de arena (al igual que la pared de césped), mientras que en los sitios desatendidos puede crecer demasiado la vegetación. En tierra rocosa o anegada pueden ser impracticables. Sin embargo, la mejor manera de exponer cualquier medidor de lluvia está en un hoyo. Supera virtualmente todos los errores del viento. Pero incluso así y ahora pocos pluviómetros están expuestos de esta manera - dando la mayor parte de ellos lecturas subestimadas.

Medidores de lluvia ópticos

Los pluviómetros de lluvia ópticos son básicamente instrumentos relacionados con la visibilidad,  las gotas de agua que caen son detectadas por su efecto sobre un haz de luz horizontal. Es un sensor de medida de intensidad de la precipitación que también permite que las cantidades totales sean derivadas. La conversión a la intensidad de la ligera señal de centelleo se realiza vía por un algoritmo y éste puede no ser perfecto.

Medidores aerodinámicos

Una alternativa es hacer los medidores aerodinámicos, de tal modo que se interfiere lo menos posible con la circulación de aire. Robinson y Rodda (1969) probaron varios diseños, incluyendo un calibrador en forma de túnel sin lados verticales, el calibrador que recogía la mayoría de la lluvia excepto cuando es intensa, cuando la salpicadura de agua se sospecha.

Adoptando una aproximación de modelización matemática, Folland (1988) analizó el flujo de aire sobre un medidor cilíndrico y propuso  un nuevo diseño de `primera- aproximación’ con un diámetro de cerca de 25 centímetros y un  ángulo medio de 35°.

Usando los resultados de Rodda y de Robinson, también yo desarrollé los diseños para una forma aerodinámica, un medidor que emergía similar al de Folland (Strangeways, 1984). Realicé recientemente otras pruebas de campo en las cuales los medidores diseñados por Folland fueron probados junto a los colectores con perfiles modificados y diversos, el diseño de Folland se encontró  que sufría de salpicaduras en caso de lluvia intensa. Un diseño apareció  y  reducía las pérdidas del viento en un 7% sin la pérdida de aguan salpicada hacia afuera (Strangeways, 2004). El agua por salpicadura es un error significativo en los medidores bajos.

Figura 6. Medidor de lluvia de 5 pulgadas dentro de un hoyo.

Calibradores de lluvia sobre el mar

Hay pocas medidas de la precipitación sobre el mar, en parte debido a la dificultad de exponer un medidor en las superestructuras de las naves. De las boyas fijas que funcionan en todo el mundo, sólo algunas tienen medidores, una excepción son las boyas para el TAO. Otra razón es que la precipitación no es requerida para la predicción meteorológica - la justificación principal para el coste de las boyas fijas del océano. Solamente los pluviómetros en las islas nos dan cualquier idea de la precipitación a partir del pasado, sobre el 71% del globo cubierto por el mar. Un nuevo método que se desarrolla para el uso en las boyas (Quartly et al, 2002)  que analiza la  señal del sonido de las burbujas de aire producidas por el impacto de gotas de agua. Su medida indirecta, sin embargo,  hace que  no será altamente exacto. Solamente con la llegada de satélites la precipitación se ha medido extensivamente sobre los océanos (Strangeways, 2007).

Medición de las nevadas

Las nevadas son menos fáciles de medir que la precipitación porque los copos son desviados más por el viento. Sobre una velocidad del viento de algunos metros por segundo, el uso de los calibradores de lluvia para medir nieve no es factible sin una cierta forma de pantalla alrededor del calibrador o de un perfil aerodinámico. Los remolinos internos pueden también levantar la nieve seca del embudo y la nieve seca, llevada por el viento (spindrift), se puede interpretar equivocadamente como nevadas frescas.

Una nota histórica no permite por el espacio describir cómo las nevadas se miden usando los medidores de lluvia (Strangeways, 2007), suficiente decir que los medidores descritos ya arriba se puedan utilizar con las modificaciones convenientes necesarias (calefacción o anticongelante), para que estén hechos para derretir la nieve. Todo el espacio que tenemos aquí es examinar cómo las técnicas han avanzado con respecto al problema del viento.

Figura 7. Medidor de precipitación en la Antártida, Rothera, (fotografía de  Jonathan Sanklin, British Antartic Survey)

Protectores de viento para los medidores de la nieve

Cecil Alter (1937) concibió un diseño usando las tiras colgantes que hacen pivotar hacia adentro en el lado de barlovento del calibrador que forma una forma cónica (figura 5 (b)), el movimiento, que previene la acumulación de nieve,  puede ocurrir en la pantalla de Nipher. La pantalla rusa de Tretyakov (figura 5 (c)) es similar pero con las placas fijas.

La mejor medida de las nevadas fue juzgada por la OMM  sería obtenida teniendo arbustos alrededor del medidor cortados a su altura, o localizar el pluviómetro en un claro del bosque. Pero estos, a menudo, están ausentes en las regiones frías y en lugar de esto la OMM seleccionó Octagonal, Vertical, Double-Fence Shield  el protector doble, vertical y octogonal como la referencia internacional (DFIR) (figura 5 (d)) contra el que se debe comparar. Una comparación del DFIR fue hecha con los protectores de arbustos en Valdai en Rusia, la exposición de arbustos que recogía la mayoría de la nieve, el 92% del DFIR de esto (Yang y otros, 1994).

Medida de las nevadas en Antártida

Asombrosamente, las nevadas se han medido muy poco  en la Antártida. Una versión con  calefactor de medidor aerodinámico descrito anteriormente (Strangeways, 2004) ha estado en pruebas en la Base Antártica Británica en Rothera, British Antarctic Survey, desde el diciembre de 2007 (figura 7) (Dutton et al., 2008) y está presentando algunos de los primeros datos detallados de las nevadas de ese continente.

Nieve de medición con los calibradores ópticos

Puesto que los calibradores ópticos pueden también detectar los copos de nieve, pueden ser utilizados para medir las nevadas. Pero mientras que el contenido en agua de las gotas es precisamente conocido de sus tamaños, los copos de nieve varían extensamente en la forma y  en la densidad, haciendo la conversión de luz-señal  a la intensidad de nieve mucho menos exacta que para la lluvia.

Pero la historia no ha terminado: los desarrollos continúan.

Referencias

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Parte I de este artículo apareció en la RAM de septiembre de 2010.

http://www.tiempo.com/ram/10782/una-historia-de-pluvimetros-parte-i-de-las-primeras-medidas-a-las-modernas/

Correspondencia: Ian Strangeways,

TerraData, 7 Cherwell Close,

Thames Street, Wallingford,

Oxfordshire, OX10 0HF, UK.

ian.strangeways(at)ntlworld.com

© Royal Meteorological Society, 2010

DOI: 10.1002/wea.548

Weather – May 2010, Vol. 65, No. 5

Agradecimientos a la RMetS y Ian por permitirnos reproducir este interesante trabajo.