Vapor de agua
Fase gaseosa del agua

El vapor de agua , vapor de agua o vapor acuoso es la fase gaseosa del agua . Es un estado del agua dentro de la hidrosfera . El vapor de agua puede producirse a partir de la evaporación o ebullición del agua líquida o de la sublimación del hielo . El vapor de agua es transparente, como la mayoría de los componentes de la atmósfera. [1] En condiciones atmosféricas típicas, el vapor de agua se genera continuamente por evaporación y se elimina por condensación . Es menos denso que la mayoría de los demás componentes del aire y desencadena corrientes de convección que pueden dar lugar a nubes y niebla.

Al ser un componente de la hidrosfera y del ciclo hidrológico de la Tierra, es particularmente abundante en la atmósfera terrestre , donde actúa como gas de efecto invernadero y como retroalimentación del calentamiento, contribuyendo más al efecto invernadero total que los gases no condensables, como el dióxido de carbono y el metano . El uso del vapor de agua, en forma de vapor , ha sido importante para cocinar y como un componente principal en los sistemas de producción de energía y transporte desde la revolución industrial .

El vapor de agua es un componente atmosférico relativamente común, presente incluso en la atmósfera solar , así como en todos los planetas del Sistema Solar y en muchos objetos astronómicos, incluidos los satélites naturales , los cometas e incluso los grandes asteroides . Asimismo, la detección de vapor de agua extrasolar indicaría una distribución similar en otros sistemas planetarios. El vapor de agua también puede ser una prueba indirecta que respalde la presencia de agua líquida extraterrestre en el caso de algunos objetos de masa planetaria.

El vapor de agua, que reacciona a los cambios de temperatura, se denomina “retroalimentación”, porque amplifica el efecto de las fuerzas que inicialmente causan el calentamiento. Por lo tanto, es un gas de efecto invernadero. [2]

Propiedades

Evaporación

Siempre que una molécula de agua abandona una superficie y se difunde en un gas circundante, se dice que se ha evaporado . Cada molécula de agua individual que pasa de un estado más asociado (líquido) a uno menos asociado (vapor/gas) lo hace mediante la absorción o liberación de energía cinética . La medida agregada de esta transferencia de energía cinética se define como energía térmica y ocurre solo cuando hay un diferencial en la temperatura de las moléculas de agua. El agua líquida que se convierte en vapor de agua se lleva consigo una parcela de calor, en un proceso llamado enfriamiento por evaporación . [3] La cantidad de vapor de agua en el aire determina la frecuencia con la que las moléculas regresarán a la superficie. Cuando ocurre una evaporación neta, la masa de agua experimentará un enfriamiento neto directamente relacionado con la pérdida de agua.

En los EE. UU., el Servicio Meteorológico Nacional mide la tasa real de evaporación de una superficie de agua abierta estandarizada en varios lugares del país. Otros hacen lo mismo en todo el mundo. Los datos de los EE. UU. se recopilan y compilan en un mapa de evaporación anual. [4] Las mediciones varían de menos de 30 a más de 120 pulgadas por año. Se pueden utilizar fórmulas para calcular la tasa de evaporación de una superficie de agua como una piscina. [5] [6] En algunos países, la tasa de evaporación supera con creces la tasa de precipitaciones .

El enfriamiento por evaporación está restringido por las condiciones atmosféricas . La humedad es la cantidad de vapor de agua en el aire. El contenido de vapor del aire se mide con dispositivos conocidos como higrómetros . Las mediciones generalmente se expresan como humedad específica o porcentaje de humedad relativa . Las temperaturas de la atmósfera y la superficie del agua determinan la presión de vapor de equilibrio; el 100% de humedad relativa ocurre cuando la presión parcial del vapor de agua es igual a la presión de vapor de equilibrio. Esta condición a menudo se conoce como saturación completa. La humedad varía de 0 gramos por metro cúbico en aire seco a 30 gramos por metro cúbico (0,03 onzas por pie cúbico) cuando el vapor está saturado a 30 °C. [7]

Sublimación

La sublimación es el proceso por el cual las moléculas de agua abandonan directamente la superficie del hielo sin convertirse primero en agua líquida. La sublimación es la causa de la lenta desaparición del hielo y la nieve a mediados del invierno, cuando las temperaturas son demasiado bajas para provocar su derretimiento. La Antártida muestra este efecto en un grado único, ya que es, con diferencia, el continente con la tasa de precipitación más baja de la Tierra. [8] Como resultado, hay grandes zonas en las que capas milenarias de nieve se han sublimado, dejando atrás los materiales no volátiles que contenían. Esto es extremadamente valioso para ciertas disciplinas científicas, como lo demuestra la colección de meteoritos que quedan expuestos en cantidades sin precedentes y en excelentes estados de conservación.

La sublimación es importante en la preparación de ciertas clases de muestras biológicas para la microscopía electrónica de barrido . Normalmente, las muestras se preparan mediante criofijación y fractura por congelación , después de lo cual la superficie rota se graba por congelación y se erosiona mediante exposición al vacío hasta que muestra el nivel de detalle requerido. Esta técnica puede mostrar moléculas de proteínas, estructuras de orgánulos y bicapas lipídicas con grados muy bajos de distorsión.

Condensación

Nubes, formadas por vapor de agua condensado.

El vapor de agua solo se condensará sobre otra superficie cuando esa superficie sea más fría que la temperatura del punto de rocío , o cuando se haya excedido el equilibrio del vapor de agua en el aire. Cuando el vapor de agua se condensa sobre una superficie, se produce un calentamiento neto en esa superficie. [9] La molécula de agua trae consigo energía térmica. A su vez, la temperatura de la atmósfera desciende ligeramente. [10] En la atmósfera, la condensación produce nubes, niebla y precipitaciones (normalmente solo cuando la facilitan los núcleos de condensación de las nubes ). El punto de rocío de una parcela de aire es la temperatura a la que debe enfriarse antes de que el vapor de agua en el aire comience a condensarse. La condensación en la atmósfera forma gotitas de nubes.

Además, se produce una condensación neta de vapor de agua sobre superficies cuando la temperatura de la superficie es igual o inferior a la temperatura del punto de rocío de la atmósfera. La deposición es una transición de fase independiente de la condensación que conduce a la formación directa de hielo a partir del vapor de agua. La escarcha y la nieve son ejemplos de deposición.

Existen varios mecanismos de enfriamiento por los cuales se produce la condensación: 1) Pérdida directa de calor por conducción o radiación. 2) Enfriamiento por la caída de la presión del aire que ocurre con la elevación del aire, también conocido como enfriamiento adiabático . El aire puede ser elevado por las montañas, que desvían el aire hacia arriba, por convección y por frentes fríos y cálidos. 3) Enfriamiento advectivo: enfriamiento debido al movimiento horizontal del aire.

Importancia y usos

  • Proporciona agua para plantas y animales: el vapor de agua se convierte en lluvia y nieve que sirven como fuente natural de agua para plantas y animales.
  • Controla la evaporación: el exceso de vapor de agua en el aire disminuye la tasa de evaporación.
  • Determina las condiciones climáticas: El exceso de vapor de agua en el aire produce lluvia, niebla, nieve, etc. Por lo tanto, determina las condiciones climáticas.

Reacciones químicas

Varias reacciones químicas tienen como producto agua. Si las reacciones tienen lugar a temperaturas superiores al punto de rocío del aire circundante, el agua se formará en forma de vapor y aumentará la humedad local; si es inferior al punto de rocío, se producirá condensación local. Las reacciones típicas que dan lugar a la formación de agua son la combustión de hidrógeno o hidrocarburos en el aire u otras mezclas de gases que contengan oxígeno , o como resultado de reacciones con oxidantes.

De manera similar, pueden tener lugar otras reacciones químicas o físicas en presencia de vapor de agua, dando como resultado la formación de nuevos productos químicos, como óxido en el hierro o el acero, la polimerización (ciertas espumas de poliuretano y pegamentos de cianoacrilato se curan con la exposición a la humedad atmosférica) o cambios de formas, como cuando los productos químicos anhidros pueden absorber suficiente vapor para formar una estructura cristalina o alterar una existente, lo que a veces da como resultado cambios de color característicos que pueden usarse para la medición .

Medición

La medición de la cantidad de vapor de agua en un medio se puede realizar de forma directa o remota con distintos grados de precisión. Los métodos remotos, como la absorción electromagnética, son posibles desde satélites situados por encima de las atmósferas planetarias. Los métodos directos pueden utilizar transductores electrónicos, termómetros humedecidos o materiales higroscópicos para medir los cambios en las propiedades físicas o las dimensiones.

mediorango de temperatura (grados C)incertidumbre de mediciónfrecuencia de medición típicacosto del sistemanotas
Psicrómetro de hondaaire-10 a 50Bajo a moderadocada horabajo
Espectroscopia basada en satéliteaire-80 a 60bajomuy alto
Sensor capacitivoaire/gases-40 a 50moderado2 a 0,05 Hzmediopropenso a saturarse/contaminarse con el tiempo
Sensor capacitivo calentadoaire/gases-15 a 50moderado a bajo2 a 0,05 Hz (dependiendo de la temperatura)medio a altopropenso a saturarse/contaminarse con el tiempo
Sensor resistivoaire/gases-10 a 50moderado60 segundosmediopropenso a la contaminación
Celda de rocío de cloruro de litioaire-30 a 50moderadocontinuomediover celda de rocío
Cloruro de cobalto (II)aire/gases0 a 50alto5 minutosmuy bajoSe utiliza a menudo en tarjetas indicadoras de humedad.
Espectroscopia de absorciónaire/gasesmoderadoalto
Óxido de aluminioaire/gasesmoderadomediover Análisis de humedad
Óxido de silicioaire/gasesmoderadomediover Análisis de humedad
Sorción piezoeléctricaaire/gasesmoderadomediover Análisis de humedad
Electrolíticoaire/gasesmoderadomediover Análisis de humedad
Tensión del cabelloaire0 a 40altocontinuoBajo a medioAfectado por la temperatura. Afectado negativamente por altas concentraciones prolongadas.
Nefelómetroaire/otros gasesbajomuy alto
Piel de batidor de oro (peritoneo de vaca)aire-20 a 30moderado (con correcciones)Lento, más lento a temperaturas más bajasbajoref: Guía de la OMM sobre instrumentos y métodos de observación meteorológicos n.º 8, 2006 (páginas 1.12-1)
Lyman-alfafrecuencia altaaltohttp://amsglossary.allenpress.com/glossary/search?id=lyman-alpha-hygrometer1 Requiere calibración frecuente
Higrómetro gravimétricomuy bajomuy altoA menudo denominadas fuentes primarias, normas nacionales independientes desarrolladas en EE. UU., el Reino Unido, la UE y Japón.
mediorango de temperatura (grados C)incertidumbre de mediciónfrecuencia de medición típicacosto del sistemanotas

Impacto en la densidad del aire

El vapor de agua es más ligero o menos denso que el aire seco . [11] [12] A temperaturas equivalentes, es flotante con respecto al aire seco, por lo que la densidad del aire seco a temperatura y presión estándar (273,15 K, 101,325 kPa) es 1,27 g/L y el vapor de agua a temperatura estándar tiene una presión de vapor de 0,6 kPa y una densidad mucho menor de 0,0048 g/L.

Cálculos

Cálculos de densidad de vapor de agua y aire seco a 0 °C:

  • La masa molar del agua es 18,02 g/mol , calculada a partir de la suma de las masas atómicas de sus átomos constituyentes .
  • La masa molar promedio del aire (aproximadamente 78% de nitrógeno, N 2 ; 21% de oxígeno, O 2 ; 1% de otros gases) es 28,57 g/mol a temperatura y presión estándar ( STP ).
  • De acuerdo con la ley de Avogadro y la ley de los gases ideales , el aire húmedo tendrá una densidad menor que el aire seco. En la saturación máxima (es decir, humedad relativa = 100 % a 0 °C), la densidad bajará a 28,51 g/mol.
  • Las condiciones STP implican una temperatura de 0 °C, en la que la capacidad del agua para convertirse en vapor es muy limitada. Su concentración en el aire es muy baja a 0 °C. La línea roja en el gráfico de la derecha es la concentración máxima de vapor de agua esperada para una temperatura dada. La concentración de vapor de agua aumenta significativamente a medida que aumenta la temperatura, acercándose al 100% ( vapor , vapor de agua puro) a 100 °C. Sin embargo, la diferencia en densidades entre el aire y el vapor de agua seguiría existiendo (0,598 frente a 1,27 g/L).

A temperaturas iguales

A la misma temperatura, una columna de aire seco será más densa o más pesada que una columna de aire que contenga vapor de agua, siendo la masa molar del nitrógeno diatómico y del oxígeno diatómico mayor que la masa molar del agua. Por lo tanto, cualquier volumen de aire seco se hundirá si se coloca en un volumen mayor de aire húmedo. Además, un volumen de aire húmedo se elevará o flotará si se coloca en una región más grande de aire seco. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la proporción de vapor de agua en el aire y su flotabilidad. El aumento de la flotabilidad puede tener un impacto atmosférico significativo, dando lugar a corrientes de aire ascendentes potentes y ricas en humedad cuando la temperatura del aire y la temperatura del mar alcanzan los 25 °C o más. Este fenómeno proporciona una fuerza impulsora significativa para los sistemas meteorológicos ciclónicos y anticiclónicos (tifones y huracanes).

Respiración y respiración

El vapor de agua es un subproducto de la respiración de plantas y animales. Su contribución a la presión aumenta a medida que aumenta su concentración. Su contribución a la presión parcial del aire aumenta, lo que reduce la contribución a la presión parcial de los demás gases atmosféricos (Ley de Dalton) . La presión total del aire debe permanecer constante. La presencia de vapor de agua en el aire diluye o desplaza naturalmente los demás componentes del aire a medida que aumenta su concentración.

Esto puede tener efectos sobre la respiración. En el aire muy cálido (35 °C), la proporción de vapor de agua es lo suficientemente grande como para generar la sensación de sofocación que se puede experimentar en las condiciones húmedas de la jungla o en edificios mal ventilados.

Gas de elevación

El vapor de agua tiene una densidad menor que la del aire y, por lo tanto, flota en el aire, pero tiene una presión de vapor menor que la del aire. Cuando se utiliza vapor de agua como gas de sustentación en un dirigible térmico, se calienta para formar vapor de manera que su presión de vapor sea mayor que la presión del aire circundante para mantener la forma de un "globo de vapor" teórico, que produce aproximadamente el 60% de la sustentación del helio y el doble de la del aire caliente. [13]

Discusión general

La cantidad de vapor de agua en una atmósfera está limitada por las restricciones de las presiones parciales y la temperatura. La temperatura del punto de rocío y la humedad relativa actúan como pautas para el proceso del vapor de agua en el ciclo del agua . La entrada de energía, como la luz solar, puede provocar una mayor evaporación en la superficie del océano o una mayor sublimación en un trozo de hielo en la cima de una montaña. El equilibrio entre la condensación y la evaporación da la cantidad denominada presión parcial de vapor .

La presión parcial máxima ( presión de saturación ) del vapor de agua en el aire varía con la temperatura de la mezcla de aire y vapor de agua. Existen diversas fórmulas empíricas para esta cantidad; la fórmula de referencia más utilizada es la ecuación de Goff-Gratch para la presión parcial máxima (SVP) sobre agua líquida a temperaturas inferiores a cero grados Celsius:

registro 10 ⁡ ( pag ) = − 7.90298 ( 373,16 yo − 1 ) + 5.02808 registro 10 ⁡ 373,16 yo − 1.3816 × 10 − 7 ( 10 11.344 ( 1 − yo 373,16 ) − 1 ) + 8.1328 × 10 − 3 ( 10 − 3.49149 ( 373,16 yo − 1 ) − 1 ) + registro 10 ⁡ ( 1013.246 ) {\displaystyle {\begin{aligned}\log _{10}\left(p\right)=&-7.90298\left({\frac {373.16}{T}}-1\right)+5.02808\log _{10}{\frac {373.16}{T}}\\&-1.3816\times 10^{-7}\left(10^{11.344\left(1-{\frac {T}{373.16}}\right)}-1\right)\\&+8.1328\times 10^{-3}\left(10^{-3.49149\left({\frac {373.16}{T}}-1\right)}-1\right)\\&+\log _{10}\left(1013.246\right)\end{alineado}}}

donde T , la temperatura del aire húmedo, se da en unidades de kelvin , y p se da en unidades de milibares ( hectopascales ).

La fórmula es válida desde aproximadamente -50 a 102 °C; sin embargo, hay un número muy limitado de mediciones de la presión de vapor del agua sobre agua líquida superenfriada. Hay varias otras fórmulas que se pueden utilizar. [14]

En determinadas condiciones, como cuando se alcanza la temperatura de ebullición del agua, siempre se producirá una evaporación neta en condiciones atmosféricas normales, independientemente del porcentaje de humedad relativa. Este proceso inmediato disipará cantidades masivas de vapor de agua en una atmósfera más fría.

El aire exhalado está casi en completo equilibrio con el vapor de agua a la temperatura corporal. En el aire frío, el vapor exhalado se condensa rápidamente, por lo que aparece como una niebla o neblina de gotitas de agua y como condensación o escarcha en las superficies. La condensación forzada de estas gotitas de agua del aire exhalado es la base del condensado del aire exhalado , una prueba de diagnóstico médico en evolución.

El control del vapor de agua en el aire es una preocupación clave en la industria de la calefacción, la ventilación y el aire acondicionado (HVAC). El confort térmico depende de las condiciones de humedad del aire. Las situaciones de confort no humanas se denominan refrigeración y también se ven afectadas por el vapor de agua. Por ejemplo, muchas tiendas de alimentos, como los supermercados, utilizan vitrinas refrigeradas abiertas, o vitrinas de alimentos , que pueden reducir significativamente la presión del vapor de agua (reduciendo la humedad). Esta práctica ofrece varios beneficios y problemas.

En la atmósfera de la Tierra

Evidencia de cantidades crecientes de vapor de agua estratosférico a lo largo del tiempo en Boulder, Colorado.

El agua gaseosa representa un componente pequeño pero ambientalmente significativo de la atmósfera . El porcentaje de vapor de agua en el aire de la superficie varía de 0,01% a -42 °C (-44 °F) [15] a 4,24% cuando el punto de rocío es de 30 °C (86 °F). [16] Más del 99% del agua atmosférica está en forma de vapor, en lugar de agua líquida o hielo, [17] y aproximadamente el 99,13% del vapor de agua está contenido en la troposfera . La condensación del vapor de agua a la fase líquida o de hielo es responsable de las nubes , la lluvia, la nieve y otras precipitaciones , todas las cuales se cuentan entre los elementos más significativos de lo que experimentamos como clima. Menos obviamente, el calor latente de vaporización , que se libera a la atmósfera siempre que se produce la condensación, es uno de los términos más importantes en el balance de energía atmosférica a escala local y global. Por ejemplo, la liberación de calor latente en la convección atmosférica es directamente responsable de alimentar tormentas destructivas como ciclones tropicales y tormentas eléctricas severas . El vapor de agua es un importante gas de efecto invernadero [18] [19] debido a la presencia del enlace hidroxilo que absorbe fuertemente en el infrarrojo .

El vapor de agua es el "medio de trabajo" del motor termodinámico atmosférico, que transforma la energía térmica procedente de la radiación solar en energía mecánica en forma de vientos. Para transformar la energía térmica en energía mecánica se necesita un nivel de temperatura superior y otro inferior, así como un medio de trabajo que se desplaza entre ambos. El nivel de temperatura superior lo da el suelo o la superficie del agua de la Tierra, que absorbe la radiación solar entrante y se calienta, evaporando el agua. El aire húmedo y cálido del suelo es más ligero que el de su entorno y asciende hasta el límite superior de la troposfera, donde las moléculas de agua irradian su energía térmica al espacio exterior, enfriando el aire circundante. La atmósfera superior constituye el nivel de temperatura inferior del motor termodinámico atmosférico. El vapor de agua del aire ahora frío se condensa y cae al suelo en forma de lluvia o nieve. El aire ahora más pesado, frío y seco, también desciende hasta el suelo; el motor termodinámico atmosférico establece así una convección vertical, que transporta el calor del suelo a la atmósfera superior, donde las moléculas de agua pueden irradiarlo al espacio exterior. Debido a la rotación de la Tierra y las fuerzas de Coriolis resultantes, esta convección atmosférica vertical también se convierte en una convección horizontal, en forma de ciclones y anticiclones, que transportan el agua evaporada sobre los océanos hacia el interior de los continentes, permitiendo el crecimiento de la vegetación. [20]

El agua en la atmósfera de la Tierra no solo está por debajo de su punto de ebullición (100 °C), sino que en altitud desciende por debajo de su punto de congelación (0 °C), debido a la atracción altamente polar del agua . Cuando se combina con su cantidad, el vapor de agua tiene un punto de rocío y un punto de congelación relevantes , a diferencia, por ejemplo, del dióxido de carbono y el metano. Por lo tanto, el vapor de agua tiene una altura de escala que es una fracción de la de la atmósfera en general, [21] [22] [23] a medida que el agua se condensa y sale , principalmente en la troposfera , la capa más baja de la atmósfera. [24] El dióxido de carbono ( CO 2 ) y el metano , al estar bien mezclados en la atmósfera, tienden a elevarse por encima del vapor de agua. La absorción y emisión de ambos compuestos contribuyen a la emisión de la Tierra al espacio y, por lo tanto, al efecto invernadero planetario . [22] [25] [26] Este forzamiento de invernadero es directamente observable, a través de características espectrales distintas en comparación con el vapor de agua, y se observa que aumenta con el aumento de los niveles de CO 2 . [27] Por el contrario, la adición de vapor de agua a grandes altitudes tiene un impacto desproporcionado, por lo que el tráfico aéreo [28] [29] [30] tiene un efecto de calentamiento desproporcionadamente alto. La oxidación del metano también es una fuente importante de vapor de agua en la estratosfera [31] y añade aproximadamente un 15 % al efecto de calentamiento global del metano. [32]

En ausencia de otros gases de efecto invernadero, el vapor de agua de la Tierra se condensaría en la superficie; [33] [34] [35] esto probablemente ha sucedido , posiblemente más de una vez. Por lo tanto, los científicos distinguen entre gases de efecto invernadero no condensables (impulsores) y condensables (impulsores), es decir, la retroalimentación del vapor de agua anterior. [36] [19] [18]

La niebla y las nubes se forman por condensación alrededor de núcleos de condensación de nubes . En ausencia de núcleos, la condensación solo se producirá a temperaturas mucho más bajas. En caso de condensación o deposición persistentes, se forman gotitas de nubes o copos de nieve, que precipitan cuando alcanzan una masa crítica.

La concentración atmosférica de vapor de agua es muy variable entre lugares y momentos, desde 10 ppmv en el aire más frío hasta el 5% (50 000 ppmv) en el aire tropical húmedo, [37] y puede medirse con una combinación de observaciones terrestres, globos meteorológicos y satélites. [38] El contenido de agua de la atmósfera en su conjunto se agota constantemente por la precipitación. Al mismo tiempo, se repone constantemente por evaporación, principalmente de océanos, lagos, ríos y tierra húmeda. Otras fuentes de agua atmosférica incluyen la combustión, la respiración, las erupciones volcánicas, la transpiración de las plantas y varios otros procesos biológicos y geológicos. En un momento dado hay aproximadamente 1,29 x 10 16 litros (3,4 x 10 15 gal.) de agua en la atmósfera. La atmósfera contiene 1 parte en 2500 del agua dulce y 1 parte en 100 000 del agua total de la Tierra. [39] El contenido medio global de vapor de agua en la atmósfera es aproximadamente suficiente para cubrir la superficie del planeta con una capa de agua líquida de unos 25 mm de profundidad. [40] [41] [42] La precipitación media anual del planeta es de aproximadamente 1 metro, una comparación que implica una rápida renovación del agua en el aire: en promedio, el tiempo de residencia de una molécula de agua en la troposfera es de aproximadamente 9 a 10 días. [42]

Algunos efectos del calentamiento global pueden potenciarlo ( retroalimentaciones positivas como el aumento de la concentración de vapor de agua) o inhibirlo ( retroalimentaciones negativas ). [43] [44]

La media global de vapor de agua representa aproximadamente el 0,25% de la masa de la atmósfera y también varía estacionalmente, en términos de contribución a la presión atmosférica entre 2,62 hPa en julio y 2,33 hPa en diciembre. [45] El AR6 del IPCC expresa una confianza media en el aumento del vapor de agua total en alrededor del 1-2% por década; [46] se espera que aumente alrededor del 7% por °C de calentamiento. [40]

Los episodios de actividad geotérmica superficial, como las erupciones volcánicas y los géiseres, liberan cantidades variables de vapor de agua a la atmósfera. Estas erupciones pueden ser grandes en términos humanos, y las erupciones explosivas importantes pueden inyectar masas excepcionalmente grandes de agua a alturas excepcionalmente altas en la atmósfera, pero como porcentaje del agua atmosférica total, el papel de estos procesos es trivial. Las concentraciones relativas de los diversos gases emitidos por los volcanes varían considerablemente según el sitio y según el evento particular en un sitio determinado. Sin embargo, el vapor de agua es constantemente el gas volcánico más común ; por regla general, comprende más del 60% de las emisiones totales durante una erupción subaérea . [47]

El contenido de vapor de agua atmosférico se expresa mediante diversas medidas, entre ellas la presión de vapor, la humedad específica , la relación de mezcla, la temperatura del punto de rocío y la humedad relativa .

Imágenes por radar y satélite

Estos mapas muestran la cantidad promedio de vapor de agua en una columna de atmósfera en un mes determinado. ( haga clic para más detalles )
MODIS / Terra vapor de agua atmosférico medio global en atm-cm (centímetros de agua en una columna atmosférica si se condensa)

Debido a que las moléculas de agua absorben microondas y otras frecuencias de ondas de radio , el agua en la atmósfera atenúa las señales de radar . [48] Además, el agua atmosférica reflejará y refractará las señales en una medida que depende de si es vapor, líquido o sólido.

En general, las señales de radar pierden fuerza progresivamente a medida que avanzan en la troposfera. Las distintas frecuencias se atenúan a diferentes velocidades, de modo que algunos componentes del aire son opacos a algunas frecuencias y transparentes a otras. Las ondas de radio que se utilizan para la radiodifusión y otras comunicaciones experimentan el mismo efecto.

El vapor de agua refleja la luz del radar en menor medida que las otras dos fases del agua. En forma de gotas y cristales de hielo, el agua actúa como un prisma, algo que no hace como molécula individual ; sin embargo, la existencia de vapor de agua en la atmósfera hace que ésta actúe como un prisma gigante. [49]

Una comparación de imágenes satelitales del GOES-12 muestra la distribución del vapor de agua atmosférico en relación con los océanos, nubes y continentes de la Tierra. El vapor rodea el planeta pero está distribuido de manera desigual. El bucle de imágenes de la derecha muestra el promedio mensual del contenido de vapor de agua con las unidades expresadas en centímetros, que es el agua precipitable o la cantidad equivalente de agua que podría producirse si todo el vapor de agua en la columna se condensara. Las cantidades más bajas de vapor de agua (0 centímetros) aparecen en amarillo, y las más altas (6 centímetros) aparecen en azul oscuro. Las áreas con datos faltantes aparecen en tonos de gris. Los mapas se basan en datos recopilados por el sensor MODIS ( Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer ) del satélite Aqua de la NASA. El patrón más notable en la serie temporal es la influencia de los cambios estacionales de temperatura y la luz solar entrante en el vapor de agua. En los trópicos, una banda de aire extremadamente húmedo oscila al norte y al sur del ecuador a medida que cambian las estaciones. Esta franja de humedad forma parte de la Zona de Convergencia Intertropical , donde convergen los vientos alisios del este de cada hemisferio y producen tormentas eléctricas y nubes casi a diario. Más lejos del ecuador, las concentraciones de vapor de agua son altas en el hemisferio que experimenta verano y bajas en el que experimenta invierno. Otro patrón que aparece en la serie temporal es que las cantidades de vapor de agua sobre las áreas terrestres disminuyen más en los meses de invierno que en las áreas oceánicas adyacentes. Esto se debe en gran medida a que las temperaturas del aire sobre la tierra caen más en el invierno que las temperaturas sobre el océano. El vapor de agua se condensa más rápidamente en el aire más frío. [50]

Como el vapor de agua absorbe luz en el rango espectral visible, su absorción se puede utilizar en aplicaciones espectroscópicas (como DOAS ) para determinar la cantidad de vapor de agua en la atmósfera. Esto se hace operativamente, por ejemplo, desde los espectrómetros del Experimento de Monitoreo Global del Ozono (GOME) en ERS (GOME) y MetOp (GOME-2). [51] Las líneas de absorción de vapor de agua más débiles en el rango espectral azul y más allá en el UV hasta su límite de disociación alrededor de 243 nm se basan principalmente en cálculos mecánicos cuánticos [52] y solo se confirman parcialmente mediante experimentos. [53]

Generación de relámpagos

El vapor de agua desempeña un papel fundamental en la producción de rayos en la atmósfera. Según la física de las nubes , normalmente las nubes son las verdaderas generadoras de carga estática que se encuentran en la atmósfera terrestre. La capacidad de las nubes para retener cantidades masivas de energía eléctrica está directamente relacionada con la cantidad de vapor de agua presente en el sistema local.

La cantidad de vapor de agua controla directamente la permitividad del aire. En épocas de baja humedad, la descarga estática es rápida y fácil. En épocas de mayor humedad, se producen menos descargas estáticas. La permitividad y la capacitancia trabajan de la mano para producir las salidas de megavatios de los rayos. [54]

Por ejemplo, después de que una nube ha comenzado su camino para convertirse en un generador de rayos, el vapor de agua atmosférico actúa como una sustancia (o aislante ) que disminuye la capacidad de la nube para descargar su energía eléctrica. Durante una cierta cantidad de tiempo, si la nube continúa generando y almacenando más electricidad estática , la barrera que fue creada por el vapor de agua atmosférico finalmente se romperá debido a la energía potencial eléctrica almacenada. [55] Esta energía se liberará a una región local con carga opuesta, en forma de rayo. La fuerza de cada descarga está directamente relacionada con la permitividad atmosférica, la capacitancia y la capacidad de generación de carga de la fuente. [56]

Extraterrestre

El vapor de agua es común en el Sistema Solar y, por extensión, en otros sistemas planetarios . Su presencia se ha detectado en las atmósferas del Sol, en las manchas solares . Se ha detectado la presencia de vapor de agua en las atmósferas de los siete planetas extraterrestres del Sistema Solar, la Luna de la Tierra [57] y las lunas de otros planetas [¿ cuáles? ], aunque normalmente solo en cantidades traza.

Cryogeyser en erupción en la luna Europa de Júpiter (concepto artístico) [58]
Ilustración artística de las firmas de agua en atmósferas de exoplanetas detectables por instrumentos como el telescopio espacial Hubble . [59]

Se cree que existen formaciones geológicas como criogéiseres en la superficie de varias lunas heladas que expulsan vapor de agua debido al calentamiento de las mareas y pueden indicar la presencia de cantidades sustanciales de agua subterránea. Se han detectado columnas de vapor de agua en la luna Europa de Júpiter y son similares a las columnas de vapor de agua detectadas en la luna Encélado de Saturno . [58] También se han detectado rastros de vapor de agua en la estratosfera de Titán . [60] Se ha descubierto que el vapor de agua es un componente principal de la atmósfera del planeta enano Ceres , el objeto más grande del cinturón de asteroides . [61] La detección se realizó utilizando las capacidades de infrarrojo lejano del Observatorio Espacial Herschel . [62] El hallazgo es inesperado porque los cometas , no los asteroides , normalmente se consideran "brotes de chorros y columnas". Según uno de los científicos, "las líneas se están volviendo cada vez más borrosas entre cometas y asteroides". [62] Los científicos que estudian Marte plantean la hipótesis de que si el agua se mueve por el planeta, lo hace en forma de vapor. [63]

El brillo de las colas de los cometas proviene en gran medida del vapor de agua. Al acercarse al Sol , el hielo de muchos cometas se convierte en vapor sublime . Conociendo la distancia de un cometa al Sol, los astrónomos pueden deducir el contenido de agua del cometa a partir de su brillo. [64]

También se ha confirmado la presencia de vapor de agua fuera del Sistema Solar. El análisis espectroscópico de HD 209458 b , un planeta extrasolar en la constelación de Pegaso, proporciona la primera evidencia de vapor de agua atmosférico más allá del Sistema Solar. Se descubrió que una estrella llamada CW Leonis tenía un anillo de grandes cantidades de vapor de agua que rodeaba la envejecida y masiva estrella . Un satélite de la NASA diseñado para estudiar los químicos en las nubes de gas interestelar hizo el descubrimiento con un espectrómetro a bordo. Lo más probable es que "el vapor de agua se vaporizara desde las superficies de los cometas en órbita". [65] Otros exoplanetas con evidencia de vapor de agua incluyen HAT-P-11b y K2-18b . [66] [67]

Véase también

Referencias

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