Los efectos de las ciudades en la distribución de los rayos: el caso de Atlanta

Weatherwise
Palabras clave: rayo, ciudad, isla de calor, sotavento, brisas, tormenta.

Aunque casi todos nos quedamos fascinado al ver los rayos, a otros los aterrorizan y algunos dibujan su belleza.

El rayo es uno de los efectos más fotogénicos de todos los fenómenos atmosféricos, pero también es uno de los menos entendidos. A pesar de toda su belleza, el rayo es una causa importante de muertes relacionadas con el tiempo en los Estados Unidos y genera más muertes que los huracanes y los tornados juntos. Casi el 40 por ciento de todas las muertes de rayos ocurren cuando una persona está implicada, en cierta forma, con actividades al aire libre. Ahora, la nueva evidencia sugiere que los rayos y las nubes convectivas padre o madre se pueden realzar realmente por las ciudades. Las zonas urbanas son literalmente cunas para producir calor y ascensos, dos ingredientes importantes para la formación de tormentas. Al mismo tiempo, en el mundo entero la gente está continuamente emigrando a las ciudades por las posibilidades de empleo y la búsqueda de una mejor vida. El ochenta por ciento de la población de los EE.UU. ahora vive en ciudades.

¡El crecimiento de las ciudades ha aumentado la cantidad de cubierta de tierra urbanizada en los Estados Unidos casi al tamaño de Ohio! En los Estados Unidos, muchas de las ciudades en el sur están creciendo rápidamente debido a su localización en un clima más templado. Sin embargo, un clima templado también significa que las ciudades son zonas más propensas para las tormentas. ¿Podían todos estos factores juntos combinarse para aumentar el riesgo de los rayos y de otros peligros de las tormentas de origen convectivo en las comunidades urbanas en todo el mundo?

Mapa de Atlanta, Georgia, región que ilustra la cubierta de tierra, carreteras interestatales importantes y condados.

El área metropolitana de Atlanta sirve como estudio y es un caso perfecto para los investigadores que trabajan para contestar a estas y otras preguntas. Solamente durante un período de tres horas y media en un día de finales de verano, 97 rayos afectaron al condado de Gwinnett, Georgia, una zona a las afueras de Atlanta. Las consecuencias fueron 19 hogares y dos construcciones de viviendas dañadas, dos personas heridas y muchas otras impresionadas mientras limpiaban los daños.

Georgia es el noveno en los Estados Unidos de muertes por rayos y el rayo es la causa mayor de las muertes relacionadas con el tiempo en el estado. Las pérdidas anuales estimadas debido a los rayos en Georgia superan los $27 millones, ocurriendo en un área altamente poblada y con alta frecuencia de rayos en el área metropolitana de Atlanta. Los resultados de una investigación de diez años de la actividad de los rayos y de las tormentas que han rodeado Atlanta identificaron aumentos en la intensidad, la precipitación y rayos sobre ella y corriente abajo del centro de ciudad durante los meses del verano de junio, de julio, y de agosto. Pero ¿por qué había más actividad de rayos y de tormentas sobre el área de metropolitana? Dada la magnitud del daño y de los peligros de los rayos en la gente al aire libre, los investigadores intentaron determinar si una zona urbana tal como Atlanta puede, de hecho, crear o intensificar la actividad de las tormentas y, por ende, en el número de rayos.

La isla de calor urbana

El primer paso en responder la pregunta es entender la interacción entre la tierra y la atmósfera. Se piensa actualmente que varios procesos en esta interacción compleja son probables en el trabajo en la alteración de distribuciones de las tormentas alrededor de las ciudades. El primer es el efecto urbano de la isla de calor, quizás el fenómeno atmosférico más bien conocido y producido por una ciudad. Una isla de calor urbana ocurre cuando la ciudad registra temperaturas más altas que las zonas rurales circundantes.

Isla de calor urbana y modelos conceptuales. Una burbuja cálida se genera en las grandes urbes aumentando la diferencia térmica entre la zona centro y alrededores no urbanizados.

Las ciudades se calientan debido a toda la “actividad” que hay en ellas. Los coches, las unidades de aire acondicionado, los motores de cualquier índole y las millas de asfalto y, en concreto, todo lo que produce o conserva el calor. La característica más notable de una isla urbana de calor es la carencia de enfriamiento durante última hora de la tarde y después de que las temperaturas alcancen normalmente su punto más alto. Cuando son comparadas las zonas urbanas con las del campo rural, los pasillos urbanos tienen mucho menos área expuesta al aire abierto y en lugar de ello tienen muchos edificios calientes. Se pierde menos calor, y resultan temperaturas más altas en la noche. Después de la puesta del sol, las diferencias de la temperatura de ciudad-campo crecen rápidamente y pueden alcanzar, en algunos casos, más que 10°F. Las diferencias más grandes de las temperaturas entre la ciudad-campo ocurren durante los días largos, cálidos del verano en que se maximiza la luz del día.

Vientos en las ciudades y convergencias

Los vientos también desempeñan un papel vital en la intensificación del calor urbano. Similar a una brisa de mar, el aire más cálido sobre la ciudad reduce la presión atmosférica y promueve la elevación. El mismo proceso ocurre sobre las arenas calientes a lo largo de una playa, haciendo que el aire sobrepuesto se caliente y se eleve. Esta elevación atrae el aire del mar sobre la costa, creando la brisa de mar, agradable y refrescante. La presión de aire más baja que se encuentra sobre ciudades también hace que un aire más fresco fluya desde el campo hacia la ciudad. Pero estos vientos encuentran las barreras urbanas y la aspereza y rugosidad de los edificios altos, por lo que los vientos tienden a retardarse, convergen y se elevan sobre la ciudad. La isla de calor urbana y los vientos convergentes hacen que el aire ascienda sobre el centro y refrescando a la ciudad a lo largo de su periferia. La elevación del aire cálido, húmedo sobre el centro de ciudad crea, a menudo, las nubes que pueden convertirse en focos convectivos tormentosos si el aire sigue siendo inestable y continúa elevándose. Estas tormentas se desplazan empujadas por los vientos predominantes, sobre los suburbios en la dirección del viento.

“La elevación del aire caliente y húmedo sobre el centro de ciudad crea a menudo las nubes que pueden convertirse en tormentas”

Las tormentas que ya están formadas y se mueven sobre una ciudad se pueden también realzar por la zona urbana. Pues las tormentas se acercan a una ciudad, los vientos de la tormenta que interaccionan con las circulaciones urbanas de la isla del calor descritas arriba y pueden hacer las tormentas se dividan y se muevan alrededor del centro de la ciudad. Ya que la isla urbana de calor lleva al desarrollo de tormentas tanto sobre el centro de ciudad como divide a las tormentas a lo largo de su periferia, el resultado es que en los suburbios que rodean la ciudad puede haber aumentos en rayos y relámpagos.

Contaminación, tormentas y electrificación de las nubes

Finalmente, ¿qué hay sobre toda la contaminación que se encuentra en las grandes ciudades? La contaminación de los extractores de coches y de autobuses, de los sistemas de refrigeración, de los generadores, y de otras actividades de motor inyecta mil millones de pequeñas partículas en la atmósfera. Estas partículas y aerosoles pueden ser captados en las corrientes aéreas ascendentes producidas por la isla urbana de calor y levantadas dentro de las tormentas. La contaminación mantiene gotitas más pequeñas y permite que más agua sea transportada más arriba donde están más bajas las temperaturas. La importancia de estos aerosoles en el desarrollo de la s tormentas y la modificación del rayo no es actualmente bien sabida; sin embargo, la evidencia sugiere que su presencia pueda alterar cómo una tormenta se forma. Los aerosoles de la contaminación son algunos de los mejores embriones de las nubes, ya que el agua condensa fácilmente sobre ellos, formando gotitas de nube.

La calima que usted ve en días de veran os cálidos, húmedos es a menudo un resultado del vapor de agua que condensa sobre la contaminación y partículas de polvo. Cuanto más de estos aerosoles estén presentes en la atmósfera, el desarrollo de las nubes más densas y más frecuentes es. Sin embargo, más nubes pueden no llevar necesariamente al incremento de la precipitación o a tormentas más intensas. Debido a concentraciones más altas de gotitas dentro de las nubes la formación en ambientes contaminados, allí es mayor la competición para que el vapor de agua restante condense sobre estas gotitas y permita que crezcan grandes y bastantes gotas pesadas para caer como lluvia. Por lo tanto, la contaminación puede actuar realmente para suprimir la precipitación sino para aumentar inicialmente la nubosidad y la humedad, y su efecto es de ir preparando la atmósfera para tormentas más vigorosas más tarde en el día. Los rayos se pueden también realzar por la contaminación como las gotitas de la nube en la generación y separación en la nube de diversas cargas eléctricas.

Ya que la contaminación puede llevar a concentraciones más altas de gotitas de las nubes, una “nube contaminada” puede llevar a la mayor electrificación en la nube. Se amplifica este hecho cuando una porción de una nube de cumulonimbus creciente pasa a través del nivel de congelación en su subida ascendente. Mientras que las gotitas de agua chocan y se congelan sobre el granizo y otras partículas de hielo, las cargas negativas se quitan de la corriente aérea ascendente y se agregan a la corriente descendente de las tormentas. Esto causa cargas positivas y negativas a residir dentro de diversas regiones de la misma nube y, como dicen que los “contrarios atraen,” llevando al desarrollo de la descarga eléctrica que se genera temporalmente por la acumulación de cargas opuestas.

Climatología del radar que ilustra el agrupamiento de los días fuertes de la tormentas sobre y rodeando a Atlanta, Georgía.

Diagrama de los eventos de rayos durante los períodos de flujo del oeste que ilustran el realce en la dirección del viento y al este de Atlanta, Georgia.

El caso de Atlanta

El estudio de diez años de los rayos, de la precipitación y de la actividad de las tormentas en Atlanta en los meses del verano demostró que la actividad realzada de las tormentas cambiaba debido a los vientos predominantes. Por ejemplo, los vientos del oeste produjeron un aumento distinto en actividad de rayos al este del centro de Atlanta. La evidencia sugiere que las tormentas que se desarrollaban sobre el centro de la ciudad, así como tormentas a lo largo de la periferia, eran dirigidas por los vientos del oeste a la zona este de la ciudad y de los suburbios. El realce de Atlanta, particularmente para los rayos, estaba bien desarrollado para los vientos del oeste y del noroeste que llevaron el este de las tormentas y al sureste del centro de la ciudad. El realce de las tormentas puede ocurrir en todas las direcciones alrededor de Atlanta corriente abajo, dirigida sobre todo por la dirección del viento predominante. La “contaminación puede alterar cómo una tormenta se forma” “Mientras que las gotitas de agua chocan y se congelan sobre el granizo y otras partículas de hielo, las cargas negativas se eliminan de la corriente aérea ascendente y se agregan a la corriente descendente de la convección dentro de la nube” La precipitación y las características de los rayos de las tormentas que se desarrolla en y alrededor de Atlanta también fueron detectadas al examinar las reflectividades del radar meteorológico. Sobre el estudio de diez años, “puntos calientes” de alta reflectividad de radar fueron encontrados persistentemente a lo largo y norte del centro de Atlanta e inmediatamente al este del distrito financiero.

Las nubes de cumulonimbus elevadas que contienen altas concentraciones de gotitas de agua y de cristales de hielo reflejan cantidades significativas de radiación de las microondas emitidas por el radar y posteriormente recogidas por la antena del radar. Las pantallas e imágenes de radar muestran áreas de alta reflectividad asociadas a las tormentas, que dependen del código de presentación, normalmente en colores rojos y naranjas, son fáciles de identificar por su tamaño y localización. Las tormentas detectadas por radar se encontraban ser más grandes sobre el centro de la ciudad con una disminución general que se movía hacia fuera desde el centro de ciudad. Un patrón similar fue encontrado sobre otras ciudades meridionales de los E.E.U.U.

Parece que la isla urbana del calor de Atlanta y los edificios asociados se pueden combinar para producir puntos activos radar céntricos de tormentas, mientras que las circulaciones producidas por la isla de calor urbano en las franjas de la ciudad llevan a los aumentos en tempestades de truenos, relámpago y precipitación suburbanos. “Las tormentas identificadas por radar fueron encontradas ser las más grandes sobre la zona centro” Aunque menos sea importante, el terreno se pudiera también ligar a los rayos y a los patrones de precipitación que rodeaban Atlanta. Los vientos del noreste desde los Apalaches y el foco de precipitación y actividad de los rayos en el lado contra el viento de Atlanta sugieren que los cambios de la elevación a través del área metropolitana puedan obrar recíprocamente con la circulación de la isla del calor y el rayo y la precipitación urbanos del foco en el lado norte de la ciudad. Una explicación es que el aire que fluye cuesta abajo de los Apalaches sería forzado para elevarse una vez él encuentra los edificios en el borde norte de Atlanta. Esto es distinto de otras direcciones del viento predominante, donde la actividad de los rayos fue encontrada para intensificarse encima y viento abajo del centro de ciudad.

Controles complejos Las interacciones entre la cubierta de tierras diferentes, la contaminación y el terreno sugieren que el desenredo de la significación de cada uno de estas variables sigue siendo el desafío más grande en nuestra comprensión de cómo las ciudades influyen en su tiempo.

Particularmente, dado que los niveles de contaminación, cubiertas de tierras y el terreno pueden cambiar rápidamente a través de las ciudades más grandes, no hay razón para asumir que una zona urbana exhibiría aumentos constantes en rayos y la producción de precipitación en la ciudad entera. Las interacciones complejas entre la isla del calor, la contaminación, el terreno y las cubiertas de tierras urbanas son todas probablemente responsables de aumentar las tormentas y sus amenazas asociadas a través de las ciudades. La comprensión de los efectos de las ciudades sobre las tormentas está llegando a ser muy importante, mientras que las zonas urbanas se convierten en las regiones cada vez más densamente pobladas que contienen una infraestructura altamente susceptible a la interrupción y daños de las tormentas e inundaciones relámpagos. Mientras que el cambio de clima global afecta a la frecuencia, a la estacionalidad y a la intensidad de peligros relacionados con el tiempo, el realce de las tormentas con el crecimiento urbano es igualmente capaz de afectar a las poblaciones grandes en una duración mucho más corta.

Autores y referencias

MACIS BENTLEY es profesor adjunto de Geografía en la Universidad de Illinois del Norte y redactor que contribuye a Weatherwise.
TONY STALLINS es profesor adjunto de Geografía en la Universidad de Estado de Florida.
WALKER ASHLEY es profesor adjunto de Geografía en la Universidad de Illinois del Norte.

Texto y figuras: https://www.tandfonline.com/toc/vwws20/current