Las observaciones de la atmósfera terrestre muestran que las tormentas eléctricas suelen ser más fuertes en presencia de altas concentraciones de aerosoles, partículas en el aire demasiado pequeñas para verlas a simple vista.

Por ejemplo, los relámpagos son más frecuentes en las rutas marítimas, donde los cargueros emiten partículas al aire, en comparación con el océano circundante. Y las tormentas eléctricas más intensas de los trópicos se preparan sobre la tierra, donde los aerosoles son elevados tanto por fuentes naturales como por actividades humanas.

Si bien los científicos han observado un vínculo entre aerosoles y tormentas eléctricas durante décadas, la razón de esta asociación no se comprende bien.

Ahora los científicos del MIT han descubierto un nuevo mecanismo por el cual los aerosoles pueden intensificar las tormentas eléctricas en las regiones tropicales. Usando simulaciones idealizadas de la dinámica de la nube, Los investigadores encontraron que las altas concentraciones de aerosoles pueden mejorar la actividad de las tormentas al aumentar la humedad en el aire que rodea las nubes.

Este nuevo mecanismo entre aerosoles y nubes, que el equipo ha denominado mecanismo de "arrastre de humedad", podría incorporarse en los modelos meteorológicos y climáticos para ayudar a predecir cómo la actividad de tormentas eléctricas de una región podría variar con los cambios en los niveles de aerosoles.

"Es posible que, limpiando la contaminación, los lugares pueden experimentar menos tormentas, "dice Tim Cronin, profesor asistente de ciencias atmosféricas en el MIT. "En general, esto proporciona una forma en que los humanos pueden tener una huella en el clima que realmente no hemos apreciado mucho en el pasado ".

Cronin y su coautor Tristan Abbott, estudiante de posgrado en el Departamento de Tierra del MIT, Ciencias Atmosféricas y Planetarias, han publicado sus resultados hoy en la revista Ciencias .

Nubes en una caja

Un aerosol es cualquier conjunto de partículas finas suspendidas en el aire. Los aerosoles se generan por procesos antropogénicos, como la quema de biomasa, y combustión en barcos, suerte, y tubos de escape de automóviles, así como de fenómenos naturales como erupciones volcánicas, spray de mar, y tormentas de polvo. En la atmósfera, Los aerosoles pueden actuar como semillas para la formación de nubes. Las partículas suspendidas sirven como superficies en el aire en las que el vapor de agua circundante puede condensarse para formar gotitas individuales que cuelgan juntas como una nube. Las gotas dentro de la nube pueden chocar y fusionarse para formar gotas más grandes que eventualmente caen en forma de lluvia.

Pero cuando los aerosoles están muy concentrados, las muchas partículas diminutas forman gotitas de nubes igualmente diminutas que no se fusionan fácilmente. Exactamente cómo estas nubes cargadas de aerosoles generan tormentas eléctricas es una pregunta abierta, aunque los científicos han propuesto varias posibilidades, que Cronin y Abbott decidieron probar en simulaciones de nubes de alta resolución.

Por sus simulaciones, utilizaron un modelo idealizado, que simula la dinámica de las nubes en un volumen que representa la atmósfera de la Tierra sobre un cuadrado de océano tropical de 128 kilómetros de ancho. La caja está dividida en una cuadrícula, y los científicos pueden observar cómo cambian parámetros como la humedad relativa en las celdas individuales de la cuadrícula a medida que ajustan ciertas condiciones en el modelo.

En su caso, el equipo realizó simulaciones de nubes y representó los efectos del aumento de las concentraciones de aerosoles al aumentar la concentración de gotas de agua en las nubes. Luego suprimieron los procesos que se pensaba que impulsaban dos mecanismos propuestos previamente, para ver si las tormentas eléctricas seguían aumentando cuando aumentaban las concentraciones de aerosoles.

Cuando estos procesos se cerraron, la simulación aún generó tormentas eléctricas más intensas con concentraciones de aerosoles más altas.

"Eso nos dijo que estas dos ideas propuestas anteriormente no eran las que estaban produciendo cambios en la convección en nuestras simulaciones, "Dice Abbott.

En otras palabras, algún otro mecanismo debe estar funcionando.

Tormentas de conducción

El equipo investigó la literatura sobre la dinámica de las nubes y encontró trabajos previos que apuntaban a una relación entre la temperatura de las nubes y la humedad del aire circundante. Estos estudios demostraron que a medida que las nubes se elevan se mezclan con el aire limpio que las rodea, evaporando parte de su humedad y, como resultado, enfriando las propias nubes.

Si el aire circundante está seco, puede absorber más humedad de una nube y reducir su temperatura interna, tal que la nube, cargado de aire frío, es más lento para ascender a través de la atmósfera. Por otra parte, si el aire circundante es relativamente húmedo, la nube será más cálida a medida que se evapora y se elevará más rápidamente, generando una corriente ascendente que podría convertirse en una tormenta eléctrica.

Cronin y Abbott se preguntaron si este mecanismo podría estar en juego en el efecto de los aerosoles en las tormentas eléctricas. Si una nube contiene muchas partículas de aerosol que suprimen la lluvia, podría ser capaz de evaporar más agua a sus alrededores. Sucesivamente, esto podría aumentar la humedad del aire circundante, proporcionando un entorno más favorable para la formación de tormentas eléctricas. Esta cadena de eventos, por lo tanto, podría explicar el vínculo de los aerosoles con la actividad de las tormentas eléctricas.

Pusieron su idea a prueba utilizando la misma simulación de dinámica de nubes, esta vez observando la temperatura y la humedad relativa de cada celda de la cuadrícula dentro y alrededor de las nubes a medida que aumentaban la concentración de aerosol en la simulación. Las concentraciones que establecieron variaron desde condiciones de bajo aerosol similares a regiones remotas sobre el océano, a ambientes con alto contenido de aerosoles similares al aire relativamente contaminado cerca de áreas urbanas.

Descubrieron que las nubes bajas con altas concentraciones de aerosoles tenían menos probabilidades de llover. En lugar de, estas nubes evaporaron el agua a su entorno, creando una capa húmeda de aire que facilitó que el aire se elevara rápidamente a través de la atmósfera tan fuerte, corrientes ascendentes que preparan tormentas.

"Una vez que haya establecido esta capa húmeda relativamente baja en la atmósfera, tienes una burbuja de aire cálido y húmedo que puede actuar como semilla de una tormenta, "Dice Abbott." Esa burbuja tendrá más facilidad para ascender a altitudes de 10 a 15 kilómetros, que es la profundidad a la que las nubes necesitan crecer para actuar como tormentas eléctricas ".

Este mecanismo de "arrastre de humedad", en el que las nubes cargadas de aerosoles se mezclan y cambian la humedad del aire circundante, parece ser al menos una explicación de cómo los aerosoles impulsan la formación de tormentas eléctricas, particularmente en las regiones tropicales donde el aire en general es relativamente húmedo.

"Hemos proporcionado un nuevo mecanismo que debería darle una razón para predecir tormentas eléctricas más fuertes en partes del mundo con muchos aerosoles, "Dice Abbott.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.