Estabilidad e inestabilidad atmosféricas

CURSO DE METEOROLOGIA BASICA PARA OBSERVADORES

Centro Meteorológico Territorial de Cantabria y Asturias
Noviembre de 2.003


Cuando se habla de estabilidad o inestabilidad atmoférica se está hablando de la capacidad que tiene un entorno atmosférico para modificar su estado en virtud de una fuerza exterior que podemos llamar forzamiento. En efecto, dependiendo de las características que presente el sistema, la respuesta a esta acción puede ser más o menos notable. En Principio, en un entorno inestable, la respuesta al forzamiento será más intensa que si la acción se ejerce sobre un entorno estable.

Por lo tanto, lo primero que hay que considerar es qué es lo que se entiende por "entornos atmosféricos estables o inestables" y cómo caracterizarlos mediante datos que sean fáciles de medir o calcular.

Existen infinidad de variables que caracterizan una masa de aire: Razón de mezcla, proporción de mezcla saturante, humedad relativa, tensión del vapor, tensión del vapor saturante, temperatura potencial del termómetro húmedo, temperatura equivalente, temperatura potencial equivalente, temperatura virtual, nivel de condensación convectivo (NCC), nivel de equilibrio (NE), etc. Todos ellos pueden calcularse a partir de los datos de un sondeo, aunque en la práctica operativa diaria sólo se utilizan algunas de estas variables que son más fáciles de calcular y tienen una disponibilidad más inmediata.

En realidad estos datos son accesibles no sólo a partir de los radiosondeos que se realizan en distintas localizaciones geográficas, sino también mediante modelos numéricos, con los cuales se pueden obtener datos previstos para estas variables en distintos puntos de grid, con una red mucho más amplia que la de las estaciones de sondeo existentes en la actualidad, lo cual plantea el interrogante de la utilidad de un sondeo real frente a las previsiones y cálculos de los modelos. Para explicar esto, hay que tener en cuenta que, el sondeo tiene la calidad del dato real, es decir, que refleja perfectamente la situación actual del punto en el que se realiza el sondeo o, por hacer una comparación con los mapas, sería el equivalente al análisis, lo cual es un dato de importancia trascendental en cualquier proceso de predicción, además de su utilización como dato que alimenta el modelo numérico.

Los datos del sondeo tienen también algunos inconvenientes, como son el hecho de que el radio de representatividad es variable y suele ser menor en el caso de zonas con orografía complicada. Esto puede comprenderse mejor con un ejemplo: Si se considera una situación tormentosa típica de verano debida al recalentamiento de una masa de aire, no hay que olvidar que los efectos locales influyen mucho en la magnitud de ese calentamiento superficial, por lo cual un sondeo realizado en un determinado punto, puede no ser representativo de otro cercano a él.

TIPOS DE INESTABILIDAD
Se dice que existe equilibrio estable en un punto, cuando, al aplicar un pequeño desplazamiento a una partícula de aire infinitesimal situada en dicho punto, aparecen fuerzas aplicadas a la partícula que tienden a devolverla a su estado inicial. Si existe inestabilidad significa que la partícula, una vez desplazada, tiende a alejarse cada vez más de su posición inicial. Si la partícula, una vez desplazada, tiene la misma densidad que el aire ambiente que la rodea, se dice que está en equilibrio neutro.

La variable más adecuada para determinar la estabilidad de un sondeo es la TEMPERATURA VIRTUAL DEL AIRE HUMEDO, que se define como la temperatura del aire seco que, a la misma presión, tiene la misma densidad que dicho aire húmedo, lo cual supone que: A mayor temperatura virtual, menor densidad.

                                        Tv = T (1 + 3/8 e/p)

siendo "e" la tensión del vapor medible con los datos del psicrómetro y "p", la presión.

Por lo tanto, si tenemos dos masas de aire situadas a un mismo nivel, la que tenga mayaor temperatura virtual será la de menor densidad, por que tendrá mayor contenido de vapor de agua. Sin embargo, esta temperatura no es directamente medible mediante el termómetro, sino que es necesario hacer un cálculo algo engorroso, asi es que, en la práctica, el sondeo se hace representando la temperatura del aire y la temperatura de rocío.



En realidad, para el estudio físico de los procesos que tienen lugar en la atmósfera, relacionados con su estabilidad, es necesario tener en cuenta si se trata de aire seco o húmedo. También puede realizarse un estudio considerando como sistema una burbuja que asciende dentro de una masa de aire: o bien considerando como sistema un estrato, de manera que:

* Cuando se hable de inestabilidad latente, se está considerando como sistema una burbuja que asciende
* Cuando se hable de inestabilidad potencial, se está considerando como sistema a un estrato que asciende.

Supóngase una burbuja de aire no saturada, es decir una burbuja (a una temperatura determinada) con un valor de humedad relativa al que corresponde una tensión de vapor, (a esa misma temperatura a la que se encuentra), menor que la tensión  e vapor máxima para esa temperatura y que puede conocerse utilizando tablas. Cuando esta burbuja asciende, se puede seguir su evolución ascendiendo por la líne adiabática seca de la gráfica del sondeo (líneas de mayor inclinación hacia la izquierda y de color marrón).

Supóngase ahora que la burbuja de aire está saturada, es decir que la burbuja ha alcanzado la tensión de vapor máxima para una temperatura dada (o lo que es lo mismo: No admite más vapor). En este caso, cuando la burbuja asciende, se puede seguir su evolución ascendiendo por la línea de la adiabática saturada (o pseudoadiabática) que en las gráficas del sondeo aparecen como líneas verdes, de menor inclinación que las adibáticas secas, que divergen hacia arriba y que, al final tienden a ser paralelas a las adiabáticas secas.

También hay que tener en cuenta que, cuando una burbuja de aire asciende y condensa, lo hace desprendiendo una cantidad de calor, llamado CALOR LATENTE DE CONDENSACION, que irá al medio ambiente que la rodea, modificando sus características, po lo que el estudio de los desplazamientos verticales se hace más complicado. Por tanto es necesario hacer una serie de simplificaciones y aproximaciones que permitan el estudio práctico de la estabilidad, mediante procedimientos físicos y matemáticos que describan de la mejor manera los procesos.

El ascenso de una burbuja, aún después de haber alcanzado la saturación, continuará hasta que la temperatura que alcance sea igual a la de su entorno. esto se consigue a una altura determinada que se conoce con el nombre de NIVEL DE EQUILIBRIO (NE). A partir de este nivel la burbuja estará más fría que el entorno que la rodea de manera que llegará a un punto por encima del NE en el que quedará en reposo.

La siguiente cuestión es cómo puede apreciarse el tipo de inestabilidad en un sondeo. En el ejemplo de la Figura 1, que aparece a continuación, se indica la forma de hacerlo de manera que, considerando que existe un pequeño desplazamiento vertical:

* Si el gradiente de temperatura de la curva de estado es una capa (línea AB de la gráfica) es menor que el gradiente adiabático saturado (ver línea correspondiente en la figura), se dice que la capa es ABSOLUTAMENTE ESTABLE.

* Si el gradiente de temperatura de la curva de estado en una capa (línea CD en la gráfica) es mayor que el adiabático seco (ver línea correspondiente en la gráfica), se dice que la capa es ABSOLUTAMENTE INESTABLE (lo cual se puede expresar también como que existe un gradiente superadiabático).

* Si el gradiente de temperatura de la curva de estado (línea EF en la gráfica) es mayor que el adiabático saturado pero menor que el adiabático seco, se dice que la capa es CONDICIONALMENTE INESTABLE. esto se traduce en que la capa será inestable si está saturada y estable si no lo está.



Supóngase ahora que, en vez de un pequeño desplazamiento vertical, el movimiento consiste en grandes desplazamientos verticales. En estos casos es en los que el análisis de la estabilidad puede hacerse utilizando el método de la burbuja o el estrato.

Para introducir el concepto de INESTABILIDAD LATENTE (es decir, para poder predecir qué es lo que ocurre cuando se fuerza a una burbuja a ascender), así como el concepto INESTABILIDAD POTENCIAL (lo que ocurre cuando se fuerza a ascender a una capa entera o estrato), es necesario introducir el concepto de área negativa y positiva en un sondeo. Cuando se utiliza un sondeo, como el que en la actualidad está operativo en la predicción diaria, se está utilizando un sondeo de los que se llaman emagramas, que se caracterizan porque la curva que representa un ciclo, encierra un área que significa el calor absorbido, o bien el trabajo realizado por unidad de masa.

De manera general se dice que el área es negativa cuando la línea de la temperatura del sondeo queda a la derecha de la línea de evolución que se está considerando y que puede ser la adiabática seca o la saturada. El significado físico de esta área negativa es el de la energía o el calor que debe comunicarse al sistema (en este caso una burbuja) para que ésta se ponga en movimiento.

El área es positiva cuando la línea de la temperatura del sondeo queda a la izquierda de la línea de evolución que se está considerando (adiabática seca o saturada). El significado físico del área positiva es el del calor latente que desprende el sistema en su evolución, es decir que la burbuja se eleva libremente.
Ver la figura nº 2:



Así pues, puede definirse:

* Inestabilidad latente Supóngase que se considera una capa profunda en un sondeo, entre dos niveles de presión, y que, en esa capa el gradiente de temperatura es mayor que el adiabático saturado y menor que el adiabático seco (en la figura 1 correspondiería a la línea EF). Si se fuerza a las burbujas a ascender dentro de esa capa sin que se consiga que las burbujas se inestabilicen, es decir que estén más calientes que el aire ambiente, entonces se dice que el sondeo es ESTABLE. Pero también puede ocurrir que, algunas de las burbujas se inestabilicen y entonces se hablaría de INESTABILIDAD LATENTE. Cuando ocurre esto, la curva que describe el ascenso de la burbuja tiene un aspecvto tal que el área negativa entre la curva que describe la evolución de la burbuja y la línea de temperatura del sondeo, es menor que el área positiva entre estas curvas cuando la burbuja se inestabiliza, lo cual significa que es mayor la energía desprendida en el proceso, que la energía que hay que comunicar para que ésta se produzca. En este caso se dice que hay INESTABILIDAD LATENTE REAL O EFECTIVA, que indica la posibilidad de que se produzcan chubascos o tormentas.

También puede ocurrir que el área negativa sea mayor que el área positiva, en cuyo caso se dice que existe FALSA INESTABILIDAD LATENTE.

*Inestabilidad potencial o convectiva
Aquí se considera como sistema el de una capa que asciende y se dice que: Una capa o columna de aire no saturada tiene inestabilidad potencial cuando la temperatura potencial del termómetro húmedo, disminuye conforme se sube dentro de la capa.

La temperatura potencial del termómetro húmedo es la temperatura de una unidad de aire de dicho termómetro si se la hace evolucionar a través de la línea adiabática saturada hasta la presión de 1000 mb.

Temperatura potencial equivalente es el valor que toma la temperatura potencial de aire cuando éste abosrbe el calor de condensación de todo el vapor que contiene.

La inestabilidad potencial aparece siempre que existe un fuerte gradiente/inclinación de temperatura y/o una fuerte inclinación del contenido de la humedad con la altura.

Es importante no confundir lo que significa inestabilidad potencial y lo que significa inestabilidad latente. Como resumen puede decirse que, para que exista inestabilidad latente, es necesario que exista inestabilidad condicional, mientras que la inestabilidad potencial no depende de la inclinación de la línea de temperatura inicial de la capa considerada.

En la figura 3 que aparece a continuación se explica cómo se calcula el estrato de inestabilidad latente en un sondeo: Se escoge la adiabática saturada que sea tangente a la curva de estado, tal y como se ve en el punto Q; después se dibuja la curva de temperatura del termómetro húmedo y finalmente se considera que existe inestabilidad latente en los tramos del sondeo en los que la línea de temperatura del termómetro húmedo (Tw) está situada a la derecha de la tangente a la adiabática saturada y que se halle debajo de la altitud a la que la curva es tangente. Naturalmente es necesario dibujar previamente la línea de Temperatura del termómetro húmedo. En la figura 3, se indica también el estrato de inestabilidad potencial, con el fin de hacer la comparación con el de inestabilidad latente. Para el cálculo de los estratos de inestabilidad en los sondeos es necesario dibujar la curva de temperatura potencial del termómetro húmedo. Así, se dice que un estrato de sondeo es potencialmente inestable cuando el gradiente o inclinación de la línea del termómetro húmedo sea mayor que el gradiente de la adiabática saturada.

ESTABILIDAD ABSOLUTA:
Se dice que existe estabilidad absoluta, tanto para una atmósfera seca como saturada, cuando el gradiente vertical de temperatura (alfa) es menor que el gradiente adiabático saturado.

INESTABILIDAD ABSOLUTA:
Se dice que hay inestabilidad absoluta, tanto para una atmósfera seca como saturada, si se cumple que el gradiente adiabático es menor que el gradiente vertical de temperatura.

INESTABILIDAD CONVECTIVA
Para el estudio de la inestabilidad convectiva es conveniente definir una serie de conceptos que sirven para cuantificar la capacidad de una masa de aire para producir ascensos debido a su inestabilidad, así como los niveles a partir de los cuales pueden producirse. Algunos de estos conceptos son:

* Niveles de Condensación:
Nivel de condensación por ascenso (NCA ó LCL): Se llama así a la altura a la cual llega una partícula de aire a estar saturada cuando asciende adiabáticamente. Su cálculo se hace a partir de la gráfica del sondeo: Se toma el valor del punto de rocío en tierra y, a partir de él se sube por la línea de proporción de mezcla saturada (Línea discontinua de color verde y con inclinación hacia la derecha) hasta encontrar la línea adiabática seca que se he seguido desde el valor de la temperatura del sondeo en el suelo. La intersección entre ambas da el valor de NCA.

* Nivel de condensación convectivo (NCC ó CCL):
Se define como la altura que una partícula alcanza, partiendo desde la superficie del suelo y debido a la convección experimentada por el aire, hasta llegar a saturarse. Puede asociarse a la altura de la base de las nubes cumuliformes que se forman debido a la convección sobre una superficie recalentada. Su cálculo se hace partiendo asimismo del valor del punto de rocío en superficie y subiendo por la línea de proporción de mezcla saturada que pasa por ese punto, hasta cortar la línea de estado. Al llegar a ése punto se obtiene el valor del NCC.

De manera general el NCA suele estar por debajo del NCC, aunque también puede estar a la misma altura, nunca por encima. Cuando están a la misma altura, es decir cuando NCC=NCA, es debido a que el gradiente es o puede llegar a ser el adiabático seco desde la superficie a la base de la nube.

* Nivel libre de convección (NCL):
Se define como la altura a la que una partícula de aire asciende libremente por convección, hasta alcanzar el nivel de equilibrio (NE). Puede hallarse partiendo del NCA y siguiendo por la adiabática saturada hasta cortar a la línea de temperatura o curva de estado.

* Nivel de equilibrio (NE):
Es la altura a la que la temperatura de una partícula de aire vuelve a ser igual que el aire que la rodea. Teóricamente en este punto estaría la cima de los cúmulos originados por convección.
Enm ocasiones los datos de estos niveles pueden diferir para un mismo sondeo. La razón de ello suele ser el nivel de partida que se ha escogido para los cálculos, por cuanto puede partirse desde el suelo o tomar la media de un estrato de 50 mb por encima de él.