Helada

La escarcha es una fina capa de hielo sobre una superficie sólida , que se forma a partir del vapor de agua que se deposita sobre una superficie congelada . La escarcha se forma cuando el aire contiene más vapor de agua del que puede contener normalmente a una temperatura específica. El proceso es similar a la formación del rocío , excepto que ocurre por debajo del punto de congelación del agua, normalmente sin pasar por un estado líquido .

El aire siempre contiene una cierta cantidad de vapor de agua, dependiendo de la temperatura. El aire más cálido puede contener más que el aire más frío. Cuando la atmósfera contiene más agua de la que puede contener a una temperatura específica, su humedad relativa aumenta por encima del 100% volviéndose sobresaturada , y el exceso de vapor de agua se ve obligado a depositarse sobre cualquier superficie cercana, formando cristales semilla . La temperatura a la que se formará escarcha se llama punto de rocío , y depende de la humedad del aire. ^[1] Cuando la temperatura del aire cae por debajo de su punto de rocío, el exceso de vapor de agua es expulsado de la solución, lo que resulta en un cambio de fase directamente de vapor de agua (un gas ) a hielo (un sólido). A medida que se agregan más moléculas de agua a las semillas, se produce el crecimiento de los cristales , formando cristales de hielo . Los cristales pueden variar en tamaño y forma, desde una capa uniforme de numerosas semillas microscópicas hasta menos cristales pero mucho más grandes, que van desde largos cristales dendríticos (similares a árboles) que crecen a lo largo de una superficie, cristales aciculares (similares a agujas) que crecen hacia afuera desde la superficie, cristales con forma de copo de nieve o incluso grandes hojas de hielo con forma de cuchillo que cubren un objeto, lo que depende de muchos factores como la temperatura, la presión del aire, el movimiento y la turbulencia del aire, la rugosidad y la humectabilidad de la superficie y el nivel de sobresaturación. Por ejemplo, el vapor de agua se adsorbe muy bien en el vidrio, por lo que las ventanas de los automóviles a menudo se congelan antes que la pintura, y los grandes cristales de escarcha pueden crecer muy rápidamente cuando el aire es muy frío, tranquilo y muy saturado, como durante una niebla helada .

La escarcha puede producirse cuando el aire cálido y húmedo entra en contacto con una superficie fría, enfriándola por debajo de su punto de rocío, como el aliento cálido en una ventana helada. En la atmósfera, ocurre con mayor frecuencia cuando tanto el aire como la superficie están por debajo del punto de congelación, cuando el aire experimenta una caída de temperatura que lo lleva por debajo de su punto de rocío, por ejemplo, cuando la temperatura cae después de la puesta del sol. En climas templados , aparece más comúnmente en superficies cercanas al suelo como cristales blancos frágiles ; en climas fríos, se presenta en una mayor variedad de formas. ^[2] La propagación de la formación de cristales ocurre por el proceso de nucleación , en específico, la nucleación del agua , que es el mismo fenómeno responsable de la formación de nubes, niebla, nieve, lluvia y otros fenómenos meteorológicos.

Los cristales de hielo se forman como resultado del desarrollo de un proceso fractal . La profundidad de los cristales de hielo varía según la cantidad de tiempo que han estado acumulándose y la concentración de vapor de agua ( humedad ). Los cristales de hielo pueden ser invisibles (negros), transparentes ( translúcidos ) o, si una masa de cristales de hielo dispersa la luz en todas las direcciones, la capa de hielo aparece blanca.

Los tipos de escarcha incluyen la escarcha cristalina (escarcha o escarcha por radiación) proveniente de la deposición de vapor de agua del aire con baja humedad, la escarcha blanca en condiciones húmedas, la escarcha de ventanas sobre superficies de vidrio, la escarcha por advección proveniente del viento frío sobre superficies frías, la escarcha negra sin hielo visible a bajas temperaturas y muy baja humedad, y la escarcha en condiciones húmedas superenfriadas . ^[2]

Las plantas que han evolucionado en climas más cálidos sufren daños cuando la temperatura desciende lo suficiente como para congelar el agua de las células que forman el tejido vegetal . El daño tisular resultante de este proceso se conoce como "daño por helada". Los agricultores de las regiones donde se sabe que el daño por heladas afecta a sus cultivos suelen invertir en medios sustanciales para protegerlos de tales daños.

Si una superficie sólida se enfría por debajo del punto de rocío del aire húmedo circundante, y la superficie en sí está más fría que el punto de congelación, se formará hielo sobre ella. Si el agua se deposita como un líquido que luego se congela, forma una capa que puede parecer vítrea, opaca o cristalina, según su tipo. Según el contexto, ese proceso también puede llamarse formación de hielo atmosférico . El hielo que produce difiere en algunos aspectos de la escarcha cristalina, que consiste en espículas de hielo que generalmente sobresalen de la superficie sólida en la que crecen.

La principal diferencia entre las capas de hielo y las espículas de escarcha surge porque las espículas cristalinas crecen directamente a partir de la desublimación del vapor de agua del aire, y la desublimación no es un factor en la formación de hielo de las superficies congeladas. Para que se produzca la desublimación, la superficie debe estar por debajo del punto de congelación del aire, lo que significa que es lo suficientemente fría como para que se forme hielo sin pasar por la fase líquida . El aire debe ser húmedo, pero no lo suficientemente húmedo como para permitir la condensación de agua líquida, o se producirá formación de hielo en lugar de desublimación. El tamaño de los cristales depende en gran medida de la temperatura, la cantidad de vapor de agua disponible y el tiempo que hayan estado creciendo sin perturbaciones.

Por regla general, excepto en condiciones en las que hay gotitas superenfriadas en el aire, la escarcha se formará solo si la superficie de deposición es más fría que el aire circundante. Por ejemplo, se puede observar escarcha alrededor de las grietas en las aceras de madera frías cuando el aire húmedo se escapa del suelo más cálido que hay debajo. Otros objetos en los que se forma escarcha comúnmente son aquellos con un calor específico bajo o una emisividad térmica alta , como los metales ennegrecidos, de ahí la acumulación de escarcha en las cabezas de los clavos oxidados.

La aparición aparentemente errática de heladas en localidades adyacentes se debe en parte a las diferencias de elevación, ya que las zonas más bajas se vuelven más frías en las noches tranquilas. Cuando el aire estático se asienta sobre una superficie de tierra en ausencia de viento, la capacidad de absorción y el calor específico del suelo influyen en gran medida en la temperatura que alcanza el aire atrapado.

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La escarcha , también llamada escarcha de radiación o pruina , se refiere a cristales de hielo blancos depositados en el suelo o adheridos de forma suelta a objetos expuestos, como cables u hojas. ^[3] Se forman en noches frías y despejadas cuando las condiciones son tales que el calor se irradia al espacio exterior más rápido de lo que puede ser reemplazado por objetos cálidos cercanos o traído por el viento. En circunstancias adecuadas, los objetos se enfrían por debajo del punto de congelación ^[4] del aire circundante, muy por debajo del punto de congelación del agua. Esta congelación puede ser promovida por efectos como la helada de inundación o la bolsa de escarcha . ^[5] Estas ocurren cuando la radiación a nivel del suelo enfría el aire hasta que fluye cuesta abajo y se acumula en bolsas de aire muy frío en valles y hondonadas. La escarcha puede congelarse en ese aire frío a baja altura incluso cuando la temperatura del aire a unos pocos pies sobre el suelo está muy por encima del punto de congelación.

La palabra "hoar" proviene de un adjetivo del inglés antiguo que significa "que muestra signos de vejez". En este contexto, se refiere a la escarcha que hace que los árboles y arbustos parezcan pelos blancos.

La escarcha puede tener diferentes nombres según dónde se forme:

• La escarcha atmosférica es un depósito de escarcha sobre objetos que se encuentran sobre la superficie, como ramas de árboles, tallos de plantas y cables.
• La escarcha superficial se refiere a cristales de hielo similares a helechos depositados directamente sobre nieve, hielo o superficies ya congeladas.
• La escarcha de grietas está formada por cristales que se forman en las grietas glaciares donde el vapor de agua puede acumularse en condiciones climáticas tranquilas.
• El término escarcha de profundidad hace referencia a cristales facetados que han crecido lentamente dentro de cavidades debajo de la superficie de bancos de nieve seca. Los cristales de escarcha de profundidad crecen continuamente a expensas de los cristales vecinos más pequeños, por lo que suelen estar visiblemente escalonados y tener huecos facetados.

Cuando la escarcha superficial cubre bancos de nieve inclinados, la capa de cristales de escarcha puede crear un riesgo de avalancha ; cuando capas gruesas de nieve nueva cubren la superficie helada, los cristales peludos que sobresalen de la nieve vieja retienen los copos que caen, formando una capa de huecos que impide que las capas de nieve nueva se adhieran fuertemente a la nieve vieja que está debajo. Las condiciones ideales para que se forme escarcha sobre la nieve son noches frías y despejadas, con corrientes de aire muy ligeras y frías que transporten humedad a la velocidad adecuada para el crecimiento de los cristales de escarcha. El viento demasiado fuerte o cálido destruye los cristales peludos y, por lo tanto, puede permitir una unión más fuerte entre las capas de nieve vieja y nueva. Sin embargo, si los vientos son lo suficientemente fuertes y fríos como para dejar los cristales planos y secos, cubriendo la nieve con cristales fríos y sueltos sin quitarlos ni destruirlos ni dejar que se calienten y se vuelvan pegajosos, entonces la interfaz de escarcha entre las capas de nieve aún puede presentar un peligro de avalancha, porque la textura de los cristales de escarcha difiere de la textura de la nieve, y los cristales secos no se pegarán a la nieve fresca. Estas condiciones todavía impiden una unión fuerte entre las capas de nieve. ^[6]

En temperaturas muy bajas, cuando se forman cristales de escarcha superficiales esponjosos sin que luego se cubran de nieve, los fuertes vientos pueden romperlos, formando un polvo de partículas de hielo y arrastrándolos hacia la superficie. El polvo de hielo puede formar yukimarimo , como se ha observado en algunas partes de la Antártida, en un proceso similar a la formación de pelusas de polvo y estructuras similares.

La escarcha blanca y la escarcha blanca también se producen en entornos artificiales, como congeladores o instalaciones industriales de almacenamiento en frío . Si estos espacios fríos o las tuberías que los abastecen no están bien aislados y están expuestos a la humedad ambiental, la humedad se congelará instantáneamente dependiendo de la temperatura del congelador. La escarcha puede cubrir las tuberías con una capa gruesa, aislándolas parcialmente, pero este aislamiento ineficiente sigue siendo una fuente de pérdida de calor.

La escarcha por advección (también llamada escarcha de viento ) se refiere a diminutos picos de hielo que se forman cuando sopla un viento muy frío sobre ramas de árboles, postes y otras superficies. Parece un borde en los bordes de las flores y las hojas, y generalmente se forma en dirección contraria al viento . Puede ocurrir a cualquier hora, de día o de noche.

La escarcha de ventana (también llamada escarcha de helecho o flores de hielo ) se forma cuando un panel de vidrio se expone a aire muy frío en el exterior y aire más cálido y moderadamente húmedo en el interior. Si el panel es un mal aislante (por ejemplo, si es una ventana de un solo panel), el vapor de agua se condensa en el vidrio, formando patrones de escarcha. Con temperaturas exteriores muy bajas, puede aparecer escarcha en la parte inferior de la ventana incluso con ventanas de doble panel de bajo consumo energético porque la convección de aire entre dos paneles de vidrio asegura que la parte inferior de la unidad de acristalamiento esté más fría que la parte superior. En los vehículos de motor sin calefacción, la escarcha generalmente se forma primero en la superficie exterior del vidrio. La superficie del vidrio influye en la forma de los cristales, por lo que las imperfecciones, los arañazos o el polvo pueden modificar la forma en que se nuclea el hielo . Los patrones en la escarcha de la ventana forman un fractal con una dimensión fractal mayor que uno, pero menor que dos. Esto es una consecuencia de que el proceso de nucleación está limitado a desarrollarse en dos dimensiones, a diferencia de un copo de nieve, que se forma mediante un proceso similar, pero se forma en tres dimensiones y tiene una dimensión fractal mayor que dos. ^[7]

Si el aire interior es muy húmedo, en lugar de moderadamente húmedo, el agua primero se condensa en pequeñas gotas y luego se congela formando hielo transparente .

Pueden ocurrir patrones similares de congelación en otras superficies verticales lisas, pero rara vez son tan obvios o espectaculares como en el vidrio transparente.

La escarcha blanca es una deposición sólida de hielo que se forma directamente a partir del vapor de agua contenido en el aire.

La escarcha blanca se forma cuando la humedad relativa es superior al 90% y la temperatura es inferior a -8 °C (18 °F), y crece en dirección contraria al viento, ya que el aire que llega de barlovento tiene una humedad mayor que el aire de sotavento, pero el viento no debe ser fuerte, ya que dañaría las delicadas estructuras heladas cuando comienzan a formarse. La escarcha blanca se asemeja a una espesa capa de escarcha con grandes cristales entrelazados, generalmente en forma de aguja.

La escarcha es un tipo de deposición de hielo que se produce rápidamente, a menudo en condiciones de mucha humedad y viento. ^[8] Técnicamente hablando, no es un tipo de escarcha, ya que normalmente se trata de gotas de agua superenfriadas , a diferencia de la formación de escarcha, en la que el vapor de agua se desublima lenta y directamente. Los barcos que navegan por los mares del Ártico pueden acumular grandes cantidades de escarcha en el aparejo. A diferencia de la escarcha, que tiene un aspecto plumoso, la escarcha generalmente tiene un aspecto helado y sólido.

La helada negra (o "helada asesina") no es en sentido estricto una helada, porque es la condición que se observa en los cultivos cuando la humedad es demasiado baja para que se forme escarcha, pero la temperatura desciende tanto que los tejidos de las plantas se congelan y mueren, ennegreciéndose, de ahí el término "helada negra". La helada negra a menudo se llama "helada asesina" porque la helada blanca tiende a ser menos fría, en parte porque el calor latente de la congelación del agua reduce la caída de temperatura.

Muchas plantas pueden resultar dañadas o morir a causa de las heladas o las temperaturas gélidas. Esto varía según el tipo de planta, el tejido expuesto y la temperatura; una "helada ligera" de -2 a 0 °C (28 a 32 °F) daña menos tipos de plantas que una "helada fuerte" por debajo de los -2 °C (28 °F). ^{[9] [10]}

Las plantas que pueden resultar dañadas incluso por una helada leve incluyen vides (como frijoles, uvas, calabazas y melones) y solanáceas (como tomates, berenjenas y pimientos). Las plantas que pueden tolerar (o incluso beneficiarse) de las heladas incluyen: ^[11]

• hortalizas de raíz (por ejemplo, remolachas, zanahorias, chirivías, cebollas)
• verduras de hoja verde (por ejemplo, lechugas, espinacas, acelgas, pepinos ^[12] )
• verduras crucíferas (por ejemplo, coles, coliflor, pak choi, brócoli, coles de Bruselas, rábanos, col rizada, berza, mostaza, nabos, colinabos)

Incluso las plantas que toleran las heladas pueden resultar dañadas una vez que las temperaturas descienden aún más (por debajo de los -4 °C o 25 °F). ^[9] Las plantas perennes resistentes, como Hosta , se vuelven inactivas después de las primeras heladas y vuelven a crecer cuando llega la primavera. Toda la planta visible puede volverse completamente marrón hasta el calor de la primavera, o puede perder todas sus hojas y flores, dejando solo el tallo y el peciolo. Las plantas de hoja perenne, como los pinos, resisten las heladas aunque todo o la mayor parte del crecimiento se detiene. El agrietamiento por heladas es un defecto de la corteza causado por una combinación de bajas temperaturas y calor del sol de invierno.

La vegetación no necesariamente se daña cuando la temperatura de las hojas desciende por debajo del punto de congelación del contenido celular. En ausencia de un sitio que genere la formación de cristales de hielo, las hojas permanecen en un estado líquido superenfriado , alcanzando temperaturas de -4 a -12 °C (25 a 10 °F) sin problemas. Sin embargo, una vez que se forma la escarcha, las células de las hojas pueden resultar dañadas por los afilados cristales de hielo. El endurecimiento es el proceso por el cual una planta se vuelve tolerante a las bajas temperaturas. Véase también Criobiología .

Ciertas bacterias , en particular Pseudomonas syringae , son particularmente eficaces para desencadenar la formación de escarcha, elevando la temperatura de nucleación a aproximadamente -2 °C (28 °F). ^[13] Las bacterias que carecen de proteínas activas de nucleación de hielo ( bacterias sin hielo ) dan como resultado un daño por helada muy reducido. ^[14]

Las medidas típicas para prevenir las heladas o reducir su gravedad incluyen una o más de las siguientes:

• Desplegar potentes sopladores para simular el viento, evitando así la formación de acumulaciones de aire frío. Hay variaciones sobre este tema. Una variedad es la máquina de viento, una hélice impulsada por motor montada en un poste vertical que sopla aire casi horizontalmente. Las máquinas de viento se introdujeron como un método de protección contra las heladas en California durante la década de 1920, pero no fueron ampliamente aceptadas hasta las décadas de 1940 y 1950. Ahora, se utilizan comúnmente en muchas partes del mundo. ^[15] Otro es el sumidero invertido selectivo , ^[16] un dispositivo que previene las heladas extrayendo aire frío del suelo y soplándolo a través de una chimenea. Fue desarrollado originalmente para prevenir daños por heladas a los frutos cítricos en Uruguay . En Nueva Zelanda, los helicópteros se utilizan de manera similar, especialmente en las regiones de viñedos como Marlborough . Al arrastrar hacia abajo el aire más cálido de las capas de inversión y evitar la acumulación de aire más frío en el suelo, los helicópteros que vuelan a baja altura evitan daños a los brotes de la fruta. Como las operaciones se llevan a cabo de noche y en el pasado han involucrado hasta 130 aeronaves por noche en una región, las reglas de seguridad son estrictas. ^[17] Aunque no es un método dedicado, las turbinas eólicas tienen un efecto similar (aunque menor) de mezclar verticalmente capas de aire de diferente temperatura. ^{[18] [19] [20]}
• En el caso de cultivos de alto valor, los agricultores pueden envolver los árboles y utilizar cobertores físicos para cultivos.
• En el caso de cultivos de alto valor cultivados en áreas pequeñas, puede resultar práctico aplicar calefacción para retardar la caída de la temperatura.
• Producción de humo para reducir el enfriamiento por radiación
• Rociar los cultivos con una capa de agua libera calor latente, evitando la congelación dañina de los tejidos de las plantas que recubre.

Estas medidas deben aplicarse con discreción, ya que pueden hacer más daño que bien; por ejemplo, rociar los cultivos con agua puede causar daños si las plantas se sobrecargan con hielo. Un método eficaz y de bajo costo para pequeñas granjas de cultivo y viveros de plantas aprovecha el calor latente de congelación . Un temporizador de riego pulsado ^[21] suministra agua a través de aspersores elevados existentes en volúmenes bajos para combatir las heladas de hasta -5 °C (23 °F). ^{[21] [22]} Si el agua se congela, emite su calor latente, evitando que la temperatura del follaje caiga mucho por debajo de cero. ^[22]

Las zonas libres de heladas se encuentran principalmente en las tierras bajas tropicales, donde cubren casi toda la tierra excepto en altitudes superiores a unos 3.000 metros o 9.800 pies cerca del ecuador y alrededor de 2.000 metros o 6.600 pies en las zonas semiáridas de las regiones tropicales. Algunas áreas en los márgenes oceánicos de los subtrópicos también están libres de heladas, al igual que las áreas altamente oceánicas cerca de las costas de barlovento. Las áreas más libres de heladas en dirección a los polos son las altitudes más bajas de las Azores , Île Amsterdam , Île Saint-Paul y Tristan da Cunha .

En los Estados Unidos continentales , el sur de Florida, alrededor de Miami Beach y los Cayos de Florida , son las únicas áreas libres de heladas, así como las Islas del Canal frente a la costa de California . Las zonas de resistencia en estas regiones son 11a y 11b.

El permafrost es una capa subterránea de tierra congelada que nunca se calienta por encima del punto de congelación, ni siquiera durante los meses de verano, y permanece congelada durante todo el año. Aunque no es escarcha en el sentido atmosférico, está formada por tierra, arena, rocas, arcilla o materia orgánica (turba) unidas firmemente por cristales de hielo, lo que hace que el material sea muy duro y difícil de penetrar. El permafrost existe en los climas más fríos del Ártico y la Antártida, como Rusia, Canadá, Alaska, Noruega, Groenlandia o la Antártida, donde las condiciones más cálidas del verano son insuficientes para penetrar el aislamiento de la Tierra y llegar a la profundidad suficiente para descongelar la capa de permafrost. El permafrost puede comenzar desde la superficie del suelo o muchos metros por debajo de él, y puede extenderse desde solo un metro hasta más de mil metros de espesor. El permafrost contiene una parte significativa del agua y el carbono de la Tierra, e impide que el agua superficial penetre muy profundamente en el suelo, lo que lo convierte en responsable en parte de los entornos típicos de taiga y pantanos de abetos comunes en las latitudes del norte. ^[23]

En la cultura rusa, la escarcha se personifica como Ded Moroz . Los pueblos indígenas de Rusia, como los mordovianos, tienen sus propias tradiciones de deidades de la escarcha.

La tradición folclórica inglesa sostiene que Jack Frost , una criatura elfa, es responsable de los patrones de escarcha en forma de plumas que se encuentran en las ventanas en las mañanas frías.

En 2024, dos sondas de la Agencia Espacial Europea , Exomars TGO y Mars Express , descubrieron una fina pero muy amplia capa de escarcha de agua en la cima del Monte Olimpo , la montaña más alta de Marte . Esta capa de escarcha aparece durante unas horas alrededor del amanecer y luego se evapora en la atmósfera durante el resto del día marciano. Este fue el primer caso de escarcha descubierto en la región ecuatorial de Marte. ^[24]

• Helada
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  Escarcha sobre una ortiga
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  Helecho escarchado en una ventana
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  Escarcha sobre un cardo en Hausdülmen , Renania del Norte-Westfalia , Alemania
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  Escarcha en la ventana
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  Salvavidas cubierto de escarcha, lago Siskiyou , California
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  Escarcha en las hojas de las plantas del Himalaya
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  Escarcha superficial en Alaska
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  Escarcha en los Alpes Julianos
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  Escarcha en un abedul en Estocolmo
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  Escarcha sobre el césped en Ranu Pani , Java Oriental , Indonesia
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  Escarcha en un tronco de abedul en Noruega
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  Heladas ligeras sobre el césped en el oeste de Sydney , Nueva Gales del Sur, Australia
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  Una hoja de roble con escarcha en Suecia

• Hielo negro
• Helada (temperatura)
• Levantamiento de escarcha
• Línea de congelación
• Congelación
• Heladas en el suelo
• Glaseado (náutico)
• Hielo en forma de aguja

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• Guía para las heladas
• ¿Cuánto sabes sobre las heladas? – BBC
• Sociedad Meteorológica Estadounidense, Glosario de Meteorología – Escarcha
• El Doctor del Tiempo – Causas del Tiempo – Heladas
• "Escarcha"  . Nueva Enciclopedia Internacional . 1906.