Precipitación (meteorología)

Animación del mapa mundial de las precipitaciones por mes.

Los valores de precipitación, para que sean válidos, deben ser científicamente comparables.

La precipitación es importante para el pluviómetro y los pluviógrafos, estos últimos se utilizan para determinar las precipitaciones pluviales de corta duración y alta intensidad. Estos instrumentos deben ser instalados en locales apropiados donde no se produzcan interferencias de edificaciones, árboles, o elementos orográficos como rocas elevadas.

La precipitación pluvial se mide en mm, que sería el espesor de la lámina de agua que se formaría, a causa de la precipitación, sobre una superficie plana e impermeable y que equivale a litros de agua por metro cuadrado de terreno (l/m²).

Desde 1960 se está popularizando cada vez más la medición de la lluvia por medio de un radar meteorológico, que generalmente están conectados directamente con modelos matemáticos que permiten determinar la intensidad de lluvia en una zona y los caudales en tiempo real, en una determinada sección de un río en dicha zona.

Lluvia en Walmart

En esencia toda precipitación de agua en la atmósfera, sea cual sea su estado (sólido o líquido) se produce por la condensación del vapor de agua contenido en las masas de aire, que se origina cuando dichas masas de aire son forzadas a elevarse y enfriarse. Para que se produzca la condensación es preciso que el aire se encuentre saturado de humedad y que existan núcleos de condensación.

El aire está saturado si contiene el máximo posible de vapor de agua. Su humedad relativa es entonces del 100 por 100. El estado de saturación se alcanza normalmente por enfriamiento del aire, ya que el aire frío se satura con menor cantidad de vapor de agua que el aire caliente. Así, por ejemplo, 1 m³ de aire a 25 °C de temperatura, cuyo contenido en vapor de agua sea de 11 g, no está saturado; pero los 11 g lo saturan a 10 °C, y entonces la condensación ya es posible.

Los núcleos de condensación (que permiten al vapor de agua recuperar su estado líquido), son minúsculas partículas en suspensión en el aire: partículas que proceden de los humos o de microscópicos cristales de sal que acompañan a la evaporación de las nieblas marinas. Así se forman las nubes. La pequeñez de las gotas y de los cristales les permite quedar en suspensión en el aire y ser desplazadas por los vientos. Se pueden contar 500 por cm³ y, sin embargo, 1 m³ de nube apenas contiene tres gramos de agua.

Las nubes se convierten en lluvia cuando las gotitas se hacen más gruesas y más pesadas. El fenómeno es muy complejo: las diferencias de carga eléctrica permiten a las gotitas atraerse; los «núcleos», que a menudo son pequeños cristales de hielo, facilitan la condensación. Así es como las descargas eléctricas se acompañan de violentas precipitaciones. La técnica de la «lluvia artificial» consiste en «sembrar» el vértice de las nubes, cuando hay una temperatura inferior a 0 °C, con yoduro de sodio; este se divide en minúsculas partículas, que provocan la congelación del agua; estos cristales de hielo se convierten en lluvia cuando penetran en aire cuya temperatura es superior a 0 °C.[2]

Enfriamiento del aire hasta su punto de rocío

Lluvia de finales de verano en Dinamarca.

El punto de rocío es la temperatura a la que debe enfriarse un volumen de aire para que se sature y (a menos que se produzca sobresaturación) se condense en agua.[3] Normalmente, el vapor de agua comienza a condensarse en núcleos de condensación como polvo, hielo y sal para formar nubes. La concentración de núcleos de condensación determinará la microfísica de las nubes.[4] Una porción elevada de una zona frontal fuerza amplias áreas de sustentación, que forman cubiertas nubosas como altostratus o cirrostratus. El estrato es una cubierta nubosa estable que tiende a formarse cuando una masa de aire frío y estable queda atrapada bajo una masa de aire cálido. También puede formarse debido al levantamiento de niebla por advección en condiciones de brisa.[5]

Existen cuatro mecanismos principales para enfriar el aire hasta su punto de rocío: enfriamiento adiabático, enfriamiento conductivo o por conducción, enfriamiento radiativo y enfriamiento evaporativo. El enfriamiento adiabático se produce cuando el aire asciende y se expande[6] El aire puede ascender debido a la convección, a movimientos atmosféricos a gran escala o a una barrera física como una montaña (elevación orográfica). El enfriamiento por conducción se produce cuando el aire entra en contacto con una superficie más fría,[7] normalmente al ser soplado de una superficie a otra, por ejemplo de una superficie de agua líquida a tierra más fría. El enfriamiento radiativo se produce debido a la emisión de radiación infrarroja, ya sea por el aire o por la superficie que se encuentra debajo.[8] El enfriamiento evaporativo se produce cuando se añade humedad al aire a través de la evaporación, lo que obliga a la temperatura del aire a enfriarse hasta su temperatura de bulbo húmedo, o hasta que alcanza la saturación.[9]

Climograma de Humapalca, en el altiplano chileno. Se observa las intensas lluvias (línea azul) en los meses de verano, fenómeno llamado invierno altiplánico.

Las precipitaciones varían de acuerdo a ciertos ciclos temporales determinados por los movimientos de rotación y traslación terrestres y por la localización astronómica o geográfica del lugar de que se trate. Esos ciclos pueden ser: diarios, mensuales o estacionales o en ciclos anuales, en efecto, siempre hay meses en que las precipitaciones son mayores que en otros. Por ejemplo, en San Francisco, California (Estados Unidos), los meses de mayores precipitaciones se dan entre noviembre y marzo, mientras que en Miami, Florida los meses de mayor precipitación son de mayo a octubre.

Para poder evaluar correctamente las características objetivas del clima, en el cual la precipitación, y en especial la lluvia, desempeña un papel muy importante, las precipitaciones mensuales deben haber sido observadas por un período de por lo menos 20 a 30 años, lo que se llama un período de observación largo.

La variación estacional de las precipitaciones, en especial de la lluvia, define el año hidrológico. Este da inicio en el mes siguiente al de menor precipitación media de largo período. Por ejemplo en San Francisco, el año hidrológico se inicia en agosto, mientras que en Miami se inicia en enero.

La distribución espacial de la precipitación sobre los continentes es muy variada, así existen extensas áreas como los desiertos, donde las precipitaciones son extremadamente escasas, del orden 0 a 200 mm de precipitación por año. En el desierto del Sahara la media anual de lluvia es de apenas algunos mm, mientras que en las áreas próximas al golfo de Darién entre Colombia y Panamá, la precipitación anual es superior a 3000 mm, con un máximo de unos 10 metros (10.000 mm). El desierto de Atacama en el norte de Chile, es el área más seca de todos los continentes.

La orografía influye fuertemente en las precipitaciones. Una elevación del terreno provoca muy frecuentemente un aumento local de las precipitaciones, al provocar la ascensión de las masas de aire saturadas de vapor de agua (lluvias orográficas).

Para realizar mediciones, se comprobaría la altura del agua de lluvia que cubriría la superficie del suelo, en el área de influencia de una estación pluviométrica, si pudiese mantenerse sobre la misma sin filtrarse ni evaporarse. Se expresa generalmente en .

La medición de la precipitación se efectúa por medio de pluviómetros o pluviógrafos, los segundos son utilizados principalmente cuando se trata de determinar precipitaciones intensas de corto período. Para que los valores sean comparables, en las estaciones pluviométricas, se utilizan instrumentos estandarizados.

Curvas de variación estacional del río Ñuble en San Fabián. La línea de trángulos color ocre es la mediana (estadística) del caudal en el lugar de la medición. Se observa el aumento del caudal con las lluvias de invierno de junio a agosto, y luego con los derretimientos de la nieve en octubre y noviembre.

En la ingeniería agrícola es influida por factores climáticos en el riego y drenaje de cultivos y el uso del agua en determinadas zonas dependiendo la precipitación al igual que la conservación de tierras. Muchas obras de ingeniería civil se ven profundamente influidas por los factores climáticos, por su importancia destacan las precipitaciones pluviales. En efecto, un correcto dimensionamiento del drenaje garantizará la vida útil de una carretera, una vía férrea, un aeropuerto. El conocimiento de las precipitaciones pluviales extremas y en consecuencia el dimensionamiento adecuado de las obras hidráulicas, así por ejemplo los vertedores de excedencias de las presas, garantizará su correcto funcionamiento y la seguridad de las poblaciones que se sitúan aguas abajo. El cálculo de las lluvias extremas, de corta duración, es muy importante para dimensionar el drenaje urbano, y así evacuar volúmenes de agua que podrían producir inundaciones.

Las características de las precipitaciones pluviales que se deben conocer para estos casos son:

La intensidad de la lluvia y duración de la lluvia: estas dos características están asociadas. Para un mismo período de retorno, al aumentarse la duración de la lluvia disminuye su intensidad media, la formulación de esta dependencia es empírica y se determina caso por caso, con base en los datos observados directamente en el sitio de estudio o en otros sitios próximos con las características hidrometeorológicas similares. Dicha formulación se conoce como relación Intensidad-Duración-Frecuencia o comúnmente conocidas como curvas IDF.

Las precipitaciones pluviales extremas período de retorno de 2, 5, 10, 20, 50, 100, 500, 1000 y hasta 10.000 años, para cada sitio particular o para una cuenca, o la precipitación máxima probable, o PMP, son determinadas con procedimientos estadísticos, basándose en extensos registros de lluvia.

Las dimensiones de una cuenca hidrográfica son muy variadas y las precipitaciones también varían en el tiempo y en el espacio. Para tomar en cuenta éstas diversidades y conocer el comportamiento de las lluvias, así como su magnitud en tales condiciones, es frecuente que en la misma se instalen varias estaciones pluviométricas.

Para determinar la precipitación media en la cuenca se elige un período de retorno determinado, se determina la lluvia en cada estación para el periodo de retorno seleccionado y luego se calcula la lluvia media, para esto se utiliza alguno de los procedimientos siguientes: polígonos de Thiessen y método de las isoyetas.

Es común encontrar regiones sin registros o con escasa información, por lo que se debe recurrir a criterios de evaluación regional. La hipótesis de la regionalización es que las lluvias importantes se presentaron en sitios próximos, lo cual genera la ventaja de aprovechar los datos de las estaciones donde si se registraron aquellos eventos.