Así saltan las supertormentas a la estratosfera

Aunque los gigantescos cumulonimbos que desatan las grades tormentas crecen y ganan energía a gran velocidad, habitualmente se encuentran con un limite físico, un techo invisible contra el que chocan y por el que desparraman formando estructuras aplanadas que se conocen como ‘yunques’. Ese límite situado entre 10000 y 14000 metros de altitud, dependiendo de la región del planeta, es la tropopausa, la zona de transición donde termina la troposfera, donde se acumula la mayor parte del aire atmosférico, y empieza la estratosfera, la zona enrarecida del cielo en la que se produce el ozono que nos protege de la radiación ultravioleta.

Sin embargo, existe un tipo particularmente violento de tormentas, conocidas como supercélulas, en las que la energía y la inercia del sistema es tal, que el cumulonimbo es capaz de superar ese límite y proyectar intensas corrientes que se introducen en la baja estratosfera y dejan una gran cantidad de agua, donde se sospecha que contribuye al calentamiento del planeta. 

Estos grandes penachos con forma de cirro que se generan por encima del yunque o AACPs (por la siglas en inglés de Above-Anvil Cirrus Plumes) son viejos conocidos de los meteorólogos, que saben que su presencia anticipa la posibilidad de tornados y trombas de granizo muy destructivas y pueden observar sus evoluciones gracias a las imágenes desde el satélite o la Estación Espacial Internacional. Y ahora, por primera vez, un equipo de científicos ha podido elaborar el modelo que explica cómo funcionan.

Una ‘montaña’ en lo alto de la nube

En un trabajo publicado este jueves en la revista Science, el equipo de Morgan O’Neill propone un mecanismo físico, conocido como “salto hidráulico”, que permite explicar con detalle cómo se producen estas protuberancias atmosféricas que sobrepasan los límites de la troposfera. Mediante una combinación de modelos de las turbulencias y observaciones reales desde el radar meteorológico, los investigadores proponen que lo que sucede es que la corriente que es capaz de superar el límite superior de la tormenta actúa como una especie de barrera orográfica y permite la inyección de agua en la estratosfera a un ritmo que puede superar las 7 toneladas por segundo.

Estas protuberancias pueden inyectar hasta 7 toneladas de agua por segundo en la estratosfera

En otras palabras, se forma una especie de montaña por encima de la propia nube que se convierte en una barrera física que redirige los flujos de la propia supertormenta. “Mostramos que la parte superior que sobrepasa por encima de una supercélula en la simulación”, escriben los investigadores, “puede actuar como un obstáculo topográfico e impulsar un salto hidráulico corriente abajo en la tropopausa, similar a una tormenta de viento que desciende por la ladera de una montaña pero sin una topografía sólida”.

En la última década, gracias a las nuevas tecnologías de observación desde el espacio y desde tierra, se han acumulado valiosos datos observaciones de este fenómeno que han permitido caracterizar cientos de estos penachos estratosféricos en tormentas de Estados Unidos. Los modelos que se proponían hasta ahora eran poco consistentes y las diferentes hipótesis se contradecían entre sí, pero según los investigadores su modelo resuelve este conflicto y aporta una primera explicación sólida de lo que está sucediendo en el techo de estas supercélulas. 

Los autores aportan una primera explicación sólida de lo que está sucediendo en el techo de estas supercélulas

“Nosotros resolvemos estos conflictos demostrando que el responsable es seguramente un salto hidráulico”, aseguran. “Estos saltos hidráulicos ocurren cuando el fluido fluye demasiado rápido para que las ondas de gravedad viajen corriente arriba, y cuando el fluido se vuelve inestable y de repente se reajusta a un flujo turbulento y más lento”.

Más allá de la convección

La comprensión de este tipo de tormentas se remonta a la primera mitad del siglo XIX cuando, precisamente en Estados Unidos, una serie de meteorólogos se enfrentaron por sus visiones muy diferentes de cómo se formaban las grandes tempestades. Frente a quienes defendían el carácter rotatorio de estos sistemas, el meteorólogo James Pollard Espy defendió que la clave estaba en la ascensión de grandes masas de aire hacia las alturas por convección y calculó la importancia que tenía en el proceso el calor latente para forzar estos “sumideros” atmosféricos.

Aunque en aquella disputa la razón estaba repartida entre ambas partes, Espy describió por primera vez con bastante acierto la formación de los cumulonimbos que son la causa principal de las tormentas.

Lo que sucede durante estos procesos es básicamente que las parcelas de aire calentadas por el sol se abren paso hacia arriba por la diferencia de densidad con el aire más frío. Cuando este aire se enfría lo suficiente a mayor altitud, el agua que contiene ese aire se condensa en forma de nubes, pero en el propio proceso de condensación se libera energía en forma de calor latente que alimenta el proceso y permite que siga creciendo la columna ascendente.

Si el aire de alrededor de esa columna sigue más frío que la propia nube, se produce una gran inestabilidad que caracteriza el cumulonimbo, incluidos el granizo, los rayos y los vientos de gran velocidad que soplan en todas direcciones dentro de estas nubes gigantescas. Pero al llegar a una zona donde la temperatura del interior y el exterior se equilibra, el gigante se encuentra con un techo y solo puede avanzar en horizontal: ese cambio físico a la altura de la tropopausa frena su crecimiento. 

Un transporte “irreversible”

¿Qué sucede entonces en el corazón de estas supercélulas para que la nube siga escapando por arriba, por encima de ese límite que frena al resto de tormentas? Tal y como explica la especialista en ciencias planetarias de la Universidad Harvard, Jessica Smith, en un artículo de análisis en la revista Science, una fracción de ese aire puede permanecer en la estratosfera debido a una mezcla turbulenta con el aire estratosférico. "La mezcla de la masa de aire elevada por convección con el aire estratosférico la da una flotabilidad neutra a altitudes estratosféricas y da como resultado un transporte irreversible a través de la tropopausa de aire y humedad troposféricos”. 

“El resultado es un transporte irreversible a través de la tropopausa de aire y humedad troposféricos”

El “salto hidráulico” que descubre el equipo de O’Neill completa la explicación desde el punto de vista del modelo físico de turbulencia y permite entender cómo esa masa de aire se proyecta hacia las alturas. Y es particularmente importante porque sabemos que las alteraciones de la estratosfera pueden tener consecuencias globales (como sucede con la intrusión del humo de los grandes incendios en el Ártico, por ejemplo). “El vapor de agua”, recuerda Smith, “es un potente gas de efecto invernadero y constituye una de las reacciones más importantes dentro del sistema climático”. Y todo esto puede ser clave “porque las condiciones ambientales favorables para la convección severa pueden aumentar con el cambio climático”.

“Este trabajo es importante, ya que existe todavía un gran desconocimiento de los intercambios de masa y energía que tienen lugar entre la troposfera y la estratosfera; en particular de la transferencia de vapor de agua hacia los niveles estratosféricos”, apunta a Vozpópuli el meteorólogo de Meteored José Miguel Viñas.

A juicio de Viñas, “lo más llamativo de esta investigación es que hayan establecido una perfecta analogía entre los flujos turbulentos de aire húmedo que se generan cuando el viento incide contra los obstáculos montañosos de la superficie terrestre y el comportamiento del aire también húmedo que, con origen en la convección, incide contra el tope de las gigantescas supercélulas, como si de gigantescas montañas se tratase”. Este hallazgo, opina, “es toda una revelación”.

Gracias a trabajos como este de O’Neill y su equipo, podemos estudiar mejor cómo se produce este intercambio de agua con la estratosfera y comprender el alcance que tiene dentro del sistema atmosférico en su conjunto. “El entendimiento mejorado de la física de las tormentas por supercélulas”, concluye Smith, “promete avances importantes para abordar las incertidumbres restantes en el transporte convectivo de la troposfera a la estratosfera, cuantificar su impacto en la actualidad y pronosticar cómo responderá este mecanismo a las condiciones climáticas cambiantes”.

Referencias: Hydraulic jump dynamics above supercell thunderstorms (Science) DOI 10.1126/science.abh3857 | Convective hydration of the stratosphere (Science)