La convección de aire significa todos los movimientos internos de la atmósfera terrestre como resultado de la inestabilidad del aire debido a una diferencia de temperatura vertical u horizontal. Su intensidad depende de la tasa de disminución de esta temperatura y da movimientos organizados en la capa de aire inestable, provocando transferencias verticales de calor, momento y humedad. El movimiento convectivo puede ocurrir tanto desde el suelo como desde la altitud en una capa inestable de aire de espesor variable . Por tanto, se puede hablar de convección profunda o restringida, que influirá en sus impactos.
Los procesos o fenómenos que es capaz de generar en determinadas escalas espacio-temporales se califican simplemente como convectivos. Sin embargo, están lejos de representar todos los procesos y fenómenos caracterizados por los movimientos verticales, pero es entre ellos donde encontramos fenómenos clave de la meteorología, como brisas , tormentas , ciclones tropicales o monzones .
En el sentido meteorológico, el uso del término “ convección ” se limita al transporte vertical de las propiedades del aire, designándose el transporte horizontal de dichas propiedades por otro término: advección horizontal. La convección es un fenómeno generalizado en la atmósfera terrestre. Puede ser provocado por un calentamiento del suelo por el sol, por el movimiento de una masa de aire frío sobre una masa de agua relativamente caliente, o por otros fenómenos (incluyendo diferencias en el albedo ) que hacen que el fondo de una capa atmosférica se mueva. cálido en relación con su parte superior.
La convección húmeda conduce al desarrollo de nubes con un fuerte movimiento vertical que va desde los cúmulos hasta los cumulonimbos . Los diferentes tipos de estos son responsables de las tormentas eléctricas , algunas de las cuales son violentas . La convección húmeda generalizada proporciona sistemas que van desde granos hasta ciclones tropicales y monzones, que podrían causar lluvias torrenciales , granizo , ráfagas y tornados .
Por otro lado, la convección seca da lugar a fenómenos sin formación de nubes, elevándose el aire sin provocar condensación por falta de humedad. Entre estos, es necesario notar las brisas marinas , los torbellinos de polvo y fuego , la circulación intertropical y muchos otros fenómenos.
El movimiento convectivo ascendente es causado por la diferencia de temperatura entre el paquete de aire que se eleva y el ambiente más frío en la altitud. De hecho, la parcela se enfría a medida que asciende pero de acuerdo con el gradiente térmico adiabático , es decir, menor que la temperatura del ambiente en los casos inestables. Por lo tanto, es menos denso que el medio ambiente y sufre un empuje de Arquímedes hacia arriba. Esta diferencia es la energía potencial de convección disponible (EPCD). Será más importante si el calor latente es liberado por la condensación del vapor de agua contenido en la parcela. Como primera aproximación, la velocidad de movimiento del paquete aéreo variará como la raíz cuadrada del EPCD. También es posible obtener convección oblicua en una zona de inestabilidad simétrica condicional que se manifiesta solo en un plano inclinado con respecto a la convección hidrostática convencional.
Este movimiento ascendente va acompañado del movimiento descendente de un volumen correspondiente de aire más denso (más frío) según el mismo principio. La densidad del aire descendente es mayor que la del aire ascendente; por tanto, hay una caída en el centro de gravedad del sistema, que puede interpretarse como una conversión de la energía potencial gravitacional en energía cinética .
Las cantidades de energía involucradas en esta conversión pueden ser considerables y resultar en movimientos significativos hacia arriba y hacia abajo, creando turbulencias . Si hay condensación, existe la formación de nubes convectivas que pueden dar fuertes golpes de viento , la intensidad de las lluvias y los relámpagos . Si la cizalladura del viento con la altitud es favorable para una transferencia de vórtice , se puede ver la formación de tornados . Si el contenido de agua es muy alto, se pueden obtener lluvias torrenciales e incluso granizo .
La clase de nubes de origen convectivo recibe el nombre genérico de cúmulos . Cuando la capa de aire inestable no se extiende verticalmente, se forma un cúmulo humilis , conocido como cúmulo de buen tiempo, sinónimo de aire ascendente . Si la EPCD aumenta, pasamos a cumulus mediocris , luego a congestus , las segundas lluvias que producen. Si la inestabilidad es mayor obtenemos los cumulonimbus calvus , para terminar con el rey de las nubes los cumulonimbus cappilatus incus que son sinónimos de tormenta madura y que también tienen un ciclo de convección descendente .
Cada una de estas nubes también se llama célula convectiva. Las tormentas pueden estar formadas por células convectivas aisladas y luego hablaremos de tormenta monocelular o unicelular para las que no son muy importantes y de tormentas supercélulas para otras. Las tormentas compuestas por varias células convectivas se dividen en dos categorías, a saber, tormentas multicelulares , para las de una célula inicial que se clona, y sistemas convectivos de mesoescala ( línea de turbonada , Derecho , complejo convectivo de mesoescala , ciclón tropical , etc.), para las que se unen. de una génesis distinta.
Las nubes mencionadas anteriormente generalmente ocurren en una masa de aire bastante uniforme que da como resultado una distribución aleatoria de células. Si un disparador como un frente , una depresión barométrica , una elevación sobre un obstáculo o incluso el flujo descendente de nubes pasa por el área, se puede usar para organizar la convección o para dar convección forzada. Las nubes convectivas también se pueden formar en sistemas más estables. Por ejemplo, antes de un mínimo que da lluvia continua, llamado estratiforme , a menudo hay bandas de precipitación más intensa asociadas con zonas convectivas en los niveles medios de la atmósfera . Entonces nos encontramos en presencia de altocúmulos castellanus , o incluso cumulonimbos de base alta (o altocumulonimbos ), anidados en la masa de nubes.
Finalmente, la convección no solo ocurre en verano sino que se encuentra en todas las estaciones. Por lo tanto, en una tormenta de nieve, a menudo se encuentran fuertes caídas debajo de celdas convectivas anidadas. El caso de las ráfagas de nieve costeras es otro ejemplo en el que aire muy frío pasa sobre cuerpos de agua no congelados y produce cúmulos imponentes de baja extensión vertical pero muy intensos.
La convección atmosférica puede ocurrir sin necesariamente dar lugar a nubes. Esto se debe a que solo es creado por la estructura térmica y si la humedad no es suficiente en la parcela de aire ascendente, no habrá condensación .
La brisa marina es un ejemplo típico de una celda convectiva de aire limpio. El aire se calienta más rápidamente en la tierra que en el agua y se desarrolla una circulación térmica durante el día. El calor que crece a lo largo de las laderas de las montañas, o llanuras sobre las áreas más calientes, es otro ejemplo donde la diferencia en el calentamiento crea una celda convectiva a pequeña escala, mientras genera vientos de un circuito convectivo a gran escala. También podemos mencionar los remolinos de polvo y los vientos que se generan en un incendio.
La capa en la que se produce la convección puede ser más o menos gruesa. En general, se dice que los fenómenos convectivos que ocurren en una capa delgada por debajo de 500 hPa (5 kilómetros de altitud) son convección restringida. Estos suelen ocurrir en un ambiente más frío con una marcada capa de inversión de temperatura en el aire. En el caso de la convección húmeda, se trata de nubes convectivas individuales de bajo nivel o sistemas pequeños pero a veces intensos, como las bajas polares . En la convección seca, se asocia con remolinos de polvo y turbulencias de aire claro de bajo nivel.
La convección profunda tiene mucho más impacto. Ocupa una capa que supera el nivel de presión de 500 hPa , a menudo perforando la tropopausa . Esta convección es responsable de tormentas eléctricas severas y sistemas convectivos a gran escala como los huracanes.
La convección puede activarse por calentamiento diurno o por un levantamiento de aire en el suelo por un frente, pero también puede activarse en altitud ( convección en altitud ). Este último comienza con altocúmulos castellanus formando torres estrechas y cuya base se ubica en el nivel medio de la atmósfera y puede convertirse en altocumulonimbus (término no oficial) para generar tormentas eléctricas produciendo precipitaciones importantes.
Ambos pueden ocurrir en cualquier momento, pero la convección del suelo a menudo se debe al calentamiento del suelo y, por lo tanto, es diurna, mientras que la convección superior a menudo ocurre por la noche donde las nubes frías permiten la desestabilización de una capa de nubes.
La convección térmica redistribuye la humedad y homogeneiza la temperatura en la capa donde se produce. Esto influye en el equilibrio térmico vertical del planeta al reducir el descenso medio de temperatura con la altitud que impone el efecto invernadero en la troposfera . Sin los mecanismos convectivos, el cambio sería más abrupto y resultaría en una temperatura promedio más alta de la superficie terrestre.
A pequeña escala, la mezcla en la capa límite de la turbulencia atmosférica permite que el aire seco sobre esta capa descienda y disminuya la humedad relativa en el suelo, permitiendo solo cúmulos de baja extensión vertical que limitarán la insolación. A mayor escala, el aire cálido y ascendente disminuye la presión del suelo y puede crear bajas térmicas en la superficie, lo que ocurre con regularidad en los desiertos. Estas depresiones se atenúan en la altura y son superadas por un sistema de alta presión .
En toda la escala de la Tierra, el proceso que hace que el aire ecuatorial húmedo se eleve en la zona de convergencia intertropical y sostenga cíclicamente las células de Hadley es de naturaleza convectiva. Estas circulaciones transportan calor y humedad desde los trópicos hasta latitudes medias de 30 grados N y S, lo que se denomina zona de calma subtropical . La convección también es responsable de los patrones climáticos adyacentes del monzón.
También juega un papel en la química de la atmósfera, al contribuir a ciertas transferencias de aerosoles o contaminantes desde las capas inferiores (troposfera) a las capas superiores, y viceversa (para el ozono por ejemplo).
En su forma suave, la convección puede dar a los planeadores y otras aeronaves sin motor el empuje hacia arriba que necesitan para mantenerse en vuelo. Los globos también utilizan la convección como medio de elevación, atrapando una cantidad de aire caliente (menos denso que el aire circundante) dentro de un globo.
Por otro lado, los movimientos verticales fuertes, dentro y alrededor de las tormentas, deben evitarse porque pueden producir turbulencias intensas. Sin embargo, las corrientes ascendentes antes de una tormenta pueden ser extremadamente leves y moderadas. Estas condiciones son tanto más peligrosas debido a la falsa sensación de seguridad que brindan, ya que pueden degenerar en muy poco tiempo. Además, la formación de hielo en estas nubes es importante, porque las gotas están sobreenfriadas allí . Numerosos aviones se estrellaron como resultado de la congelación extremadamente rápida de las superficies aerodinámicas. Aunque es poco común, los rayos también pueden golpear aviones y, en última instancia, el granizo puede dañar o destruir un avión.