tiempo.com

El rocío marino grueso inhibe los rayos en los mares

Un estudio reciente muestra el papel que juegan los aerosoles marinos gruesos para inhibir los rayos sobre los mares y océanos de las nubes de tormentas

El nuevo estudio enfatiza el papel de los aerosoles marinos, gruesos y finos, en la generación e inhibición de los rayos sobre tierra y mar. PXHERE

El papel de los aerosoles marinos grueso y fino en la generación de rayos

Los efectos conocidos de la termodinámica y los aerosoles pueden explicar bien la actividad de las tormentas sobre la tierra, pero fallan sobre los océanos. Aquí, el seguimiento del ciclo de vida completo de los cúmulos de nubes convectivas profundas tropicales muestra que agregar aerosoles finos aumenta significativamente la densidad de rayos para una cantidad de lluvia determinada tanto en el océano como en la tierra.

Por el contrario, agregar sal marina gruesa (radio seco > 1 μm), conocida como rocío marino, debilita el vigor de las nubes y los relámpagos al producir menos gotas de nubes pero más grandes, lo que acelera la lluvia cálida a expensas de la precipitación de fase mixta. Agregar rocío marino grueso puede reducir los rayos en un 90 %, independientemente de la carga de aerosol fino. Estos hallazgos reconcilian preguntas pendientes desde hace mucho tiempo sobre las diferencias entre las tormentas continentales y marinas.

Distribución global de la densidad de rayos sobre la Tierra. Imagen de Zengxin et al. 2022 Nature Communications

Algunas ideas básicas sobre los rayos

La electrificación de las nubes convectivas profundas (deep convective clouds, DCC) se produce cuando los cristales de hielo chocan con el granulado en las nubes de agua sobreenfriada con una transferencia diferencial de carga eléctrica tras la colisión.

Los cristales, que tienden a acumular una carga neta positiva, ascienden con la corriente ascendente mientras que los cristales, que tienden a acumular una carga neta negativa, descienden gravitacionalmente, formando así el campo eléctrico que conduce a las descargas tipo rayo. Por lo tanto, se produce más electrificación en las nubes con corrientes ascendentes más fuertes y más contenido de agua líquida sobreenfriada (supercooled liquid water content, SLWC).

La intensidad de la corriente ascendente está dominada por la energía potencial convectiva disponible (convective available potential energy (,CAPE), pero se puede fortalecer aún más agregando los aerosoles finos (radio seco < 1 μm), que actúan como núcleos de condensación de nubes (cloud condensation nuclei, CCN). Los CCN agregados nuclean gotas de nubes más numerosas y más pequeñas, que tardan más en fusionarse en gotas de lluvia, sobreviviendo así más tiempo en la corriente ascendente y alcanzando mayores alturas donde enriquece el SLWC. Además, las gotas de nubes nucleadas adicionales mejoran la eficiencia de la condensación, lo que conduce a la liberación adicional de calor latente, lo que acelera las corrientes ascendentes. Estas consideraciones explican por qué se ha observado que la frecuencia de los rayos aumenta tanto con CAPE como con CCN, pero disminuye con una mayor distancia entre la altura de la base de las nubes y el nivel de congelación, tanto en tierra tropical como en el océano.

Ilustración esquemática de los efectos de los aerosoles en las nubes convectivas y los rayos sobre tierra y océanos. Imagen de Zengxin et al. 2022 Nature Communications

Sin embargo, la frecuencia promedio de rayos para la misma cantidad de lluvia es generalmente mucho menor sobre el océano tropical en comparación con la tierra a pesar de una meteorología similar.

Una pregunta pendiente a este respecto es en qué medida este contraste tierra-océano se explica por las alturas más bajas de la base de las nubes y las corrientes ascendentes sobre el océano y/o las diferencias en las concentraciones de CCN.

Las diferencias conocidas no pueden explicar por qué el producto de CAPE y la cantidad de precipitación se correlaciona bien con la frecuencia de los rayos sobre la tierra, pero no en absoluto sobre el océano, y deja sin explicación gran parte de la variabilidad de los rayos oceánicos.

Estudios previos demostraron que los aerosoles agregados nuclean más gotas de nubes, lo que conduce a una revitalización y electrificación por convección. Otras condiciones meteorológicas favorables también contribuyen al desarrollo de la convección con fuertes corrientes ascendentes, como el agua precipitable (precipitable water, PW) alta y la cizalladura del viento baja. Además, las partículas de aerosol ultrafinas (UAP, por sus siglas en inglés) podrían fortalecer el DCC mediante una activación secundaria con el calor latente agregado resultante de la condensación.

Esta hipótesis de fortalecimiento de UAP debe verificarse más a fondo en función de las observaciones. Sin embargo, como se muestra en el trabajo de aquí, los aerosoles de sal marina gruesa con un radio seco > 1 μm (CSS, o rocío marino) tienen el efecto opuesto de los pequeños CCN, es decir, los CSS nuclean menos gotas de nubes pero más grandes que se unen en gotas de lluvia y precipitan más rápido, lo que conduce a un DCC debilitado.

En el trabajo se prueba la hipótesis de que los aerosoles marinos finos y gruesos tienen efectos opuestos en la frecuencia de los rayos utilizando las propiedades de los grandes grupos de DCC tropicales y los rayos después de aislar los efectos de la meteorología. Las propiedades DCC utilizadas aquí son la temperatura superior de la nube (CTT), el tiempo de vida, la lluvia y los rayos observados sobre la tierra tropical y el océano: África y los océanos adyacentes, respectivamente, entre 50°O y 50°E y 20°S y 20°N. durante 5 años. Las concentraciones de aerosoles se obtienen de los datos de reanálisis del Análisis retrospectivo de la era moderna para la investigación y la aplicación, versión 2 (MERRA-2), y las densidades de los rayos provienen de la Red mundial de ubicación de rayos (World Wide Lightning Location Network, WWLLN).

Contrastes entre los rayos en tierra y en el océano

La primera figura muestra que los rayos ocurren principalmente sobre la tierra en comparación con el océano. Se ha demostrado que la frecuencia de los rayos aumenta significativamente con la CAPE, que domina la intensidad de la corriente ascendente. Sin embargo, la CAPE sobre la tierra y el océano es similar o incluso más grande sobre el océano en algunas áreas.

La CAPE no puede explicar el importante contraste tierra-océano de los rayos. Las relaciones de los aerosoles finos con el CTT del núcleo convectivo y la cantidad de lluvia muestran el fortalecimiento convectivo como documentamos previamente en el estudio. El vigor del aerosol fino para CTT sobre la tierra es mucho más fuerte que sobre el océano con un cambio en CTT de alrededor de -12 °C de condiciones limpias a condiciones contaminadas, mientras que el cambio correspondiente sobre el océano es de alrededor de -4 °C. Además, la cantidad de lluvia casi se triplica desde la concentración de aerosol fino limpio hasta la óptima (5 μg m −3 ) sobre la tierra, pero aumenta solo por un factor de 1,6 sobre el océano.

Texto y figuras tomados del trabajo referenciado. Puedes seguir leyendo el artículo completo aquí.

Referencia

Coarse sea spray inhibits lightning. Zengxin Pan, Feiyue Mao, Daniel Rosenfeld, Yannian Zhu, Lin Zang, Xin Lu, Joel A. Thornton, Robert H. Holzworth, Jianhua Yin, Avichay Efraim & Wei Gong. Nature Communications volume 13, Article number: 4289 (2022). https://www.nature.com/articles/s41467-022-31714-5

Esta entrada se publicó en Reportajes en 06 Ago 2022 por Francisco Martín León