Lluvias, su formación y control
( Publicado en Revista Creces, Junio 1984 )

La formación de la lluvia requiere de condiciones atmosféricas muy especiales de temperatura y humedad, como también de la presencia en la atmósfera de diminutas partículas sólidas que actúan como agentes nucleantes. El control de las lluvias, viejo anhelo del hombre, esta todavía lejos de alcanzarse. Y parece mejor que siga así.

El año 1984 tuvo un inicio al revés desde el punto de vista meteorológico. Enero partió con un arrastre de falta de lluvias en la Novena y Décima Región, lo que llevó a los agricultores a pedir el auxilio oficial del Gobierno.

Entretanto, las lluvias del altiplano en el norte dejaron un saldo siempre negativo con sus riadas y lloviznas en poblados costeros e interiores. En más de algún campo aledaño a Temuco se realizó el tradicional nguillatún para pedir lluvias. Es curioso que tanto en los rituales primitivos como los que hasta hoy se conservan, se contemplan fogatas que producen humo y un sonar de tambores y otros instrumentos de percusión. En base al conocimiento científico actual, tanto humos como ondas sonoras pueden ser capaces de ayudar a la producción artificial de lluvias.


Distribución

La cantidad de vapor de agua existente en la atmósfera se estima que asciende a la impresionante cantidad de 10 billones de toneladas, un 0,001% del total de agua existente en el planeta. Si, por ejemplo, la población mundial fuese de 4.000 millones de habitantes, cada uno de ellos podría disponer de unas 2.500 toneladas de agua por cada 12 días, tiempo durante el cual ésta retorna de nuevo a la atmósfera repitiéndose el ciclo. La forma natural más usual de obtener esta cantidad de agua es a través de las precipitaciones, llámense lluvias, nieves, granizos o rocíos. Algunos animales (llamas) y especialmente plantas (cactus por ejemplo) son además capaces de captar directamente el agua desde el aire sin que medie algún tipo de precipitación. De todas maneras, la lluvia y la nieve son las dos formas más eficientes con que el agua contenida en la atmósfera llega a la superficie terrestre y es aprovechable.

La formación de lluvias y nieve tiene el mismo origen y sólo se diferencian en que si la superficie terrestre tiene una temperatura menor de cero grados centígrados, la precipitación llegará en forma de nieve y no como gotas de lluvia.

Obviamente la formación de nubes es un proceso previo e imprescindible para la existencia de lluvias. Esta está íntimamente ligada a la transición de estados que ocurre en la materia: de gas a líquido, de líquido a sólido o de gas a sólido (o viceversa). Dichos cambios de estado están perfectamente cuantificados a través de relaciones matemáticas entre la presión y la temperatura de las cuales dependen en forma inequívoca. La formación de nuevas superficies aire-líquido o líquido-sólido es otro factor muy importante en la existencia de lluvias y que también está perfectamente cuantificado en términos tanto teóricos como experimentales. En este contexto en el que trataremos de analizar el problema de la formación natural y artificial de las lluvias.


Formación de nubes

Una nube es un conjunto de pequeñas gotitas de agua líquida que se han formado a expensas de las moléculas de agua en forma de vapor o gas (humedad) que existen en la atmósfera. Las nubes que llueven sobre el continente están compuestas por alrededor de unas 50 a 200 gotitas por cm3 cuyos tamaños oscilan entre 10 y 50 micrones de diámetro (1 micron = 0,0001 cm). La cantidad de agua presente en la atmósfera en de nubes es, sin embargo, insignificante comparada con la que existe cómo vapor, es decir, en forma molecular. Para que una nube llueva es necesario que las gotitas de agua que la forman crezcan y adquieran un tamaño suficientemente grande como para alcanzar la superficie sin antes evaporarse. El crecimiento se logra fundamentalmente a expensas del agua en forma de vapor que se condensa sobre las gotitas. Las nubes así formadas por tan pequeñas gotitas exhiben una increíble superficie de agua líquida en contacto con el aire.

Cuando el aire, en condiciones normales de presión y temperatura, no puede aceptar más allá de una cierta cantidad de vapor de agua, se dice que está saturado o hay un 100% de humedad y cualquier exceso por sobre esta cantidad se condensará espontáneamente sobre la superficie de un lago o del océano, sin que por esto ellas aumenten perceptiblemente. En cambio, si el exceso de humedad tiende a convertirse en una nube, ello implica crear a partir de cero una nueva superficie agua-aire cuya magnitud es inmensa. Sólo 18 gramos de agua dispersos en gotitas del tamaño que conforman las nubes, poseen una superficie agua-aire de alrededor de 100 m2.

A estas alturas el lector ya debe estar preguntándose: ¿Qué relación existe entre la formación de una nube y la superficie agua-aire resultante?. La respuesta se reduce a que la creación de una nueva superficie (líquido-aire, líquido-sólido, sólido-aire) requiere de mucha energía y que se opone a su formación.


Energía superficial

En una publicación de CRECES, el doctor Joaquín Cortés se refería a la importancia de las superficies en muchas propiedades de la materia. Pretendemos aquí extender y esquematizar esas ideas.

Las moléculas superficiales en cualquier superficie líquido-aire o sólido-aire o sólido-líquido están sometidas a fuerzas desbalanceadas con respecto a las moléculas del seno del líquido o sólido, tal como se ilustra en la Figura 1. Ella representa esquemáticamente una gotita de líquido. Las moléculas del centro, como la C, están totalmente rodeadas de vecinas y sus fuerzas de interacción con ellas están también perfectamente balanceadas. La situación es diferente para las moléculas como la "S" que están ubicadas en la superficie, donde no existen fuerzas atractivas hacia el interior. Esto conduce a que las moléculas superficiales sean atraídas hacia el centro de la gota (o del seno del líquido o sólido) dando origen a lo que se denomina "tensión superficial" y es como si en la superficie del líquido existiera una película difícil de romper. El lector puede corroborar lo anterior si recubre una aguja con esperma de vela o con cera y la deposita cuidadosamente sobre la superficie de agua contenida en un vaso limpio: la aguja flotará dando la impresión de que la superficie tiene una "piel" que el peso de la aguja no es capaz de romper.

Para llevar una molécula "C" hasta el lugar que ocupa una de tipo "S" (Figura 1), es necesario emplear energía para romper las fuerzas de atracción intermoleculares que la molécula "C" mantiene con todas sus vecinas, pero que en la superficie mantiene con sólo algunas de ellas. El proceso de aumentar o crear una superficie implica tener más moléculas superficiales del tipo "S" y, por lo tanto, dicho proceso requiere de energía. Esta energía se opone a la extensión de una superficie y, en especial, a la creación de una nueva superficie, como es el caso de las nubes cuyas gotitas poseen, como ya dijimos, una superficie inmensa.

La formación de las gotitas existentes en las nubes requiere, entonces, que el aire esté sobresaturado para contrarrestar la acción de la energía superficial. El alto grado de sobresaturación impide que, una vez que se han unido unas 5 ó 10 moléculas de agua, éstas vuelvan a evaporarse y permite que el "núcleo", así formado, siga creciendo mientras más moléculas choquen con él y queden ahí atrapadas.


Núcleos

Las condiciones extremas de sobresaturación se reducen sustancialmente en la atmósfera debido a la existencia en ella de partículas sólidas minúsculas que actúan como núcleos de condensación, sobre los cuales las moléculas de vapor de agua se condensan fácilmente, originando las gotitas que forman a las nubes. Estos núcleos están constituidos fundamentalmente por partículas de sal provenientes del mar y que quedan como residuo después de la evaporación de las gotas de agua de mar que el viento esparce en el encrespamiento o estallido de las olas. Los continentes y las civilizaciones producen otro tipo de agentes nucleantes constituidos por partículas de humo provenientes de incendios, polvo de caminos, esporas de plantas y partículas sólidas arrojadas a la atmósfera por fábricas y vehículos. Debido a que el agua tiene una densidad mayor que el hielo, el sonido (o los ruidos) favorece la transición agua-hielo. Esta transición es fundamental para la formación de lluvias.


Precipitaciones

Hemos descrito someramente la formación de nubes, pero ¿Cuál es la diferencia entre una gotita de agua que existe en una nube y otra que cae como lluvia o nieve?. La diferencia estriba en su tamaño. Una gota de 10 micrones de radio cae a razón de cm/seg. y apenas a 1 metro de su descenso se evaporará totalmente. En cambio, una gota de 1.000 micrones de radio puede descender 4.200 metros antes de evaporar. Por tanto se ha decidido establecer 100 micrones como límite entre una gota que es parte de una nube que cae como lluvia. La existencia de lluvias depende entonces de la posibilidad de crecimiento que tengan las gotitas de agua existentes en las nubes. Una vez formada una nube en las condiciones de sobresaturación mencionada o con la ayuda de agentes nucleantes, las gotitas que la componen pueden evaporarse de nuevo, mantenerse iguales en promedio o seguir creciendo. El crecimiento que conduce a las lluvias, puede deberse a dos mecanismos: 1) condensación de moléculas de agua sobre las gotitas ya formadas, y 2) colisión entre las gotitas que conduzcan a la formación de otras mayores a partir de la fusión resultante de las colisiones. Como la cantidad de gotitas de agua que existen en las nubes es pequeña (entre 50 y 200 por cm3) la probabilidad de choque entre ellas es escasa y este mecanismo resulta poco eficiente. Más aún si se considera que en muchos de los choques entre las gotas no resultan en la fusión y formación de una gota mayor.

Bástenos ilustrar este hecho con la experiencia que muchos lectores pueden tener cuando han chapoteado en la piscina, en la tina de baño o han jugado con la cuchara de una taza de té; habrán podido observar que algunas gotitas de agua ruedan sobre la superficie del líquido por varios segundos antes de romperse e incorporarse al seno del líquido.

Películas tomadas con 7.000 cuadros por minutos revelan que gotas que descienden en una nube y chocan con las que están más abajo, se hunden sobre éstas y salen rebotando sin fusionarse. Este mecanismo de crecimiento de las gotitas es sólo importante en las lluvias tropicales.


Hielo

El mecanismo 1) es en general más importante que el 2), pero aún es insuficiente para que las gotitas logren alcanzar el tamaño requerido como para transformarse en gotas de lluvia.

La situación cambia drásticamente cuando en lugar de tener una nube formada por gotitas de agua líquida, se cuenta con una que provee gotitas de hielo. Esta situación es la más frecuente de encontrar, ya que está establecido que por cada 100 metros de altura de la superficie de la Tierra, la temperatura desciende en 1 grado centígrado. Ello significa que si en la superficie de la Tierra existen 20°C, la temperatura a 5.000 metros de altura sería de alrededor de -30-C (5.000 metros es considerada una altura corriente a la cual se encuentran las nubes productoras de lluvias).

La existencia de nubes que contienen "gotitas de hielo" y no de agua, es fundamental para la formación de lluvias. Ello porque el hielo, con una presión de vapor mucho menor que la del agua, dificulta la evaporación y hace más fácil la condensación sobre el de moléculas de agua, lo que conduce a un crecimiento mucho más rápido y eficiente de las "gotitas de hielo" que el que tendrían gotitas de agua líquida.

La transformación de gotas de agua a "gotas de hielo" juega entonces un papel primordial en la existencia de las lluvias.


Nucleación de agua a hielo

La transición de una gota de agua líquida a otra de hielo significa la creación de una superficie sólida a partir de una líquida y de nuevo es un proceso que requiere de energía. Todos sabemos que el agua a una atmósfera de presión solidifica a 0°C, pero ello ocurre siempre en un recipiente y el agua por muy limpia que esté siempre contendrá imperceptiblemente algún tipo de partículas sólidas en suspensión. Tanto la superficie sólida del recipiente como la de las partículas en suspensión hacen posible que la transición de agua a hielo se produzca a 0°C. En ausencia de superficies sólidas extrañas, dicha transición ocurre a alrededor de -4°C.

De todo lo anterior es posible entonces concluir que la formación de lluvias está íntimamente relacionada con la existencia en la atmósfera de partículas sólidas que faciliten tanto la formación de nubes y, más importante aún, la transformación de las gotitas de agua a "gotitas de hielo". Esta es la base de la producción artificial de lluvias.


Lluvia artificial

Es indudable que el dominio de la Naturaleza por el Hombre está en gran parte relacionado con el control de sequías e inundaciones y, por ende, íntimamente vinculado con el control de la lluvias.

En 1946, Langmuir y Schaefer realizaron los primeros experimentos tendientes a demostrar que las gotitas de agua que formaban parte de algunas nubes eran susceptibles de ser transformadas en "gotitas de hielo" mediante la adición de hielo seco (anhídrido carbónico sólido) arrojado desde un avión. Después de esta demostración se comenzó a buscar afanosamente agentes nucleantes más eficientes en la transformación de agua a hielo. Así, Vonnegut, que trabajó con Langmuir y Schaefer, encontró que el yoduro de plata (AgI) disperso como partícula de 0,01 a 0,1 micrón de diámetro y diseminado o "sembrado" en una nube de agua sobreenfriada, la transformaban en una nube de cristales de hielo a temperaturas tan altas como -7°C (y no -40°C). De acuerdo con Vonnegut, el efecto se debería a que el AgI tiene una estructura cristalina muy similar a la del hielo. El contacto entre una partícula de AgI y una gotita de agua sobreenfriada induciría a esta última a adquirir la estructura del hielo.

Otros experimentos (1957) demostraron posteriormente que el yoduro de plomo (PbI2) poseía una estructura cristalina aún más semejante a la del hielo. Sin embargo, resultó ser peor agente nucleante que el AgI.

Era entonces evidente que otros factores tanto o más importantes que la similitud entre los estados cristalinos del agua y de los agentes nucleantes, debían ser considerados.

Ya en el siglo pasado se conocía que el AgI era repelido por el agua tal como esta repele al carbón o al aceite. Desde hace algunos años se piensa que el origen de tal repulsión se debe a que las moléculas de agua adquieren características similares a las del hielo cuando se encuentran en contacto con superficies que ella repele. En buenas cuentas, cualquier superficie que sea repelida por el agua podría ayudar a la transición de agua sobreenfriada a hielo, sin que sea necesario una similitud entre sus estructuras cristalinas.

Basándose en lo anterior, resulta evidente que la producción artificial de lluvias podría lograrse con una inmensa y potencial riqueza de sustancias comunes y mucho menos costosas que el AgI. Lo anterior concuerda con la experiencia de nuestros ancestros de que el humo (partículas de carbón que son repelidas por el agua), el polvo levantado desde los caminos, las esporas, etc., pueden ayudar a la transición agua a hielo y contribuir a la formación de las lluvias.

Lo hasta aquí expuesto es sólo un pequeño esbozo de lo que hoy se conoce del problema que significa la formación de lluvias tanto naturales como artificiales.


Consideraciones finales

Si se dispusiera de una técnica barata y eficaz para producir lluvias artificiales en cualquier lugar del planeta, cabe preguntarse hasta qué punto ello sería deseable usar, si no se miden bien las consecuencias económicas, sociales y ecológicas que ello produciría.

Cuando una sequía afecta al sur de Chile, sus efectos son catastróficos, dado que toda su actividad, fundamentalmente agrícola, está basada en el hecho de que sus recursos normales de agua provienen de las lluvias. Poder disponer de una técnica para hacer llover allí sería deseable.

En el norte de Chile, donde casi jamás llueve, la situación es diferente. La lluvia allí podría causar enormes daños en las viviendas y cambios sustanciales en la ecología y el clima. El salitre, fuente aún importante en la economía del país, tal vez desaparecería disuelto por el agua. Quizás se transforme en una zona agrícola fértil y fecunda. ¿Quién, responsablemente, podría emitir un juicio exacto y objetivo sobre el problema?. Si bien la teoría y los experimentos de laboratorio están bastante avanzados en cuanto a la producción artificial de lluvias, los resultados en la atmósfera misma, en cambio, no son tan claros. Esto porque no es fácil determinar si la lluvia ocurrida después de haber sembrado una nube con algún agente nucleante hubiese ocurrido también en forma natural. Además, la observación y cuantificación del fenómeno en la atmósfera misma es tremendamente difícil dada la gran cantidad de variables que en ella existen.



Luis Sepúlveda

Departamento de Química
Fac. Ciencias Básicas y Farmacéuticas,
Universidad de Chile.



Para saber más


1. Louis Battan. Cloud Physics and Cloud Seeding, Doubleday & Campany, Inc, New York, 1962.

2. V.J. Schaefer, Chem. Rev. 44, 291 (1949).

3. B.J. Mason ""The Physics of Clouds"". Claredon Press-Oxford 1957.

4. G. Nemethy and H.A. Scheraga, J. Phys. Chem., 36, 3401 (1952).

5. I. Salazar and L. Sepúlveda, J. Colloid and Interface Sci., 94, 70 (1983).


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