Abstract
¡estoy bastante seguro de que regularmente experimentas lluvia y a veces te mojas bastante ya que no tienes la ropa adecuada! La lluvia es un recurso necesario, ya que llena los ríos y proporciona agua dulce, y una amenaza potencial con fuertes lluvias que conducen a inundaciones (posiblemente rápidas). Un paso muy necesario para comprender mejor este fenómeno natural es medirlo adecuadamente., Resulta ser bastante complicado porque la lluvia es extremadamente variable en el tiempo y el espacio. En este documento, aprenderá el funcionamiento de tres dispositivos de medición de lluvia que proporcionan la profundidad de lluvia acumulada (pluviómetros de cubo de inclinación), el tamaño y la velocidad de las gotas que caen (disdrometros) o mapas de lluvia (radares meteorológicos).
La lluvia es una de las experiencias más comúnmente compartidas en la Tierra, y apuesto a que lo atestiguan regularmente. A veces estás listo con la ropa adecuada y a veces no!, Las lluvias son a veces largas y ligeras, a veces cortas y pesadas, y a veces largas y pesadas. Cuando las lluvias son largas y pesadas, pueden provocar inundaciones rápidas, lo que es peligroso para la población cercana. La lluvia también es necesaria, ya que proporciona agua a las plantas y, en última instancia, llena los ríos. Debido a que la lluvia es tanto un recurso necesario como una amenaza, es importante comprender mejor este fenómeno natural.
es muy probable que ya hayas notado que la lluvia es variable con el tiempo. Cuando te quedas en el mismo lugar, no llueve allí todo el tiempo., Incluso durante un evento de lluvia, la intensidad de la lluvia puede cambiar constantemente de muy ligera a muy fuerte. Los períodos más fuertes de lluvia suelen ser bastante cortos. Este tipo de variabilidad en las precipitaciones también es visible a mayor escala, porque como saben, hay meses o años más húmedos y otros más secos. También hay variabilidad en el lugar donde se producen las precipitaciones. Puede llover mucho en un lugar y no en absoluto, o con una fuerza muy diferente, a pocos kilómetros de distancia o incluso a unos pocos cientos de metros de distancia.
la variabilidad es una característica básica de la precipitación que la hace compleja de medir., Los meteorólogos (personas que estudian el clima) e investigadores han desarrollado numerosos dispositivos de medición que les permiten estudiar la extrema variabilidad de las precipitaciones. Explicaremos el funcionamiento de los tres dispositivos más utilizados. Los datos que presentamos fueron recogidos en el campus de la Ecole des Ponts ParisTech, donde trabajo.
¿cómo medimos la cantidad de lluvia que cae?
la medida de precipitación más común es la profundidad total de precipitación durante un período dado, expresada en milímetros (mm)., Por ejemplo, podríamos querer saber cuántos milímetros de lluvia cayeron en el transcurso de 1 h, 1 día, 1 mes o 1 año.
Puede obtener fácilmente una medición aproximada de la profundidad de la lluvia en casa. Simplemente siga estos pasos: (1) Tome una botella con los lados lisos, corte la parte superior y gírela boca abajo en la parte superior de la botella, para crear una especie de embudo (ver figura 1a). (2) pegue una regla en el lado de la botella y llene la botella de agua hasta la marca cero en la regla, que debe estar por encima de las protuberancias en la parte inferior de la botella. De lo contrario, los baches afectarían la medición., (3) traiga su pluviómetro fuera, lo más lejos posible de edificios y árboles. (4) anote regularmente el nivel del agua (por ejemplo, todas las mañanas a las 8:00 a. m. antes de ir a la escuela) para recopilar sus propios datos. Si planea tomar sus mediciones durante el verano, parte del agua dentro de la botella se evaporará (hasta unos pocos mm al día) y esto afectará sus mediciones. Para evitar esto, puede agregar una capa delgada de aceite al agua. Dado que es más ligero que el agua, el aceite flotará en la parte superior del agua y evitará la evaporación., Las mediciones que obtenga de su pluviómetro le indicarán cuánta lluvia se produjo durante un cierto período de tiempo.
- Figura 1
- A. casera de Un medidor de lluvia. B. Un indicador de lluvia profesional del cubo de inflexión. C. Un ejemplo de datos obtenidos con un pluviómetro basculante, que muestra cuánta lluvia (en mm, eje y) cayó con el tiempo (eje X) el 27 de junio de 2017 sobre el campus de la Ecole des Ponts ParisTech. La hora corresponde a la hora del reloj de ese día., El aumento más rápido, correspondiente a la lluvia más fuerte, ocurrió entre las 13:00 y las 14:00.
Los profesionales usan dispositivos más complicados llamados pluviómetros basculantes y puede ver uno en la figura 1B. este pluviómetro Se parece a su dispositivo casero, excepto que hay dos cubos debajo del embudo. El agua que cae en el pluviómetro será enrutada a un cubo por el embudo. Una vez que el cubo está lleno, por lo general después de 0.,2 mm de lluvia cae, está diseñado para inclinar automáticamente, lo que significa que el otro cubo ahora estará debajo del embudo. El proceso comienza de nuevo con este otro cubo, hasta que se llena y se inclina. El pluviómetro registra el tiempo de todas las puntas del cubo, lo que le dará al investigador datos sobre la rapidez con la que cae la lluvia con el tiempo. La figura 1C muestra un ejemplo de los datos que se pueden obtener utilizando un pluviómetro de cubo de inflexión. Estas observaciones se formularon el 27 de junio de 2017. La profundidad de la lluvia (en mm) aumentó rápidamente entre las 13:00 y las 14:00, lo que significa que llovió mucho durante ese período., Durante un período de lluvia ligera, este dispositivo no es muy preciso. Por ejemplo, entre las 05:15 y las 13:00, todo lo que puedes decir es que cayó 0.2 mm de lluvia (una punta de un cubo), pero no sabes exactamente cuándo cayó esa lluvia. Si hay mucho viento, eso también puede afectar la precisión del dispositivo.
¿cómo medimos el tamaño de las gotas de lluvia?
¿de qué está hecha la lluvia? Gotas de lluvia, obviamente! Los pluviómetros no son lo suficientemente sensibles como para poder tomar medidas de gotas de lluvia individuales. Para comenzar a recopilar datos sobre las gotas y su tamaño, necesita un dispositivo llamado disdrometer.,
antes de describir un disdrometro «real», aquí está cómo se puede hacer uno en casa (Ver Ref. para una descripción más detallada). Siga estos pasos: (1) tome un plato y ponga unos milímetros de harina por todas partes. (2) cuando llueva, salga con el plato cubierto, descúbrelo durante unos segundos para que algunas gotas puedan caer sobre él y crear pequeños cráteres, luego regrese al interior. (3) Analizar el resultado.
observará algo similar a lo que se muestra en la figura 2A, y notará que las gotas no todas tienen el mismo tamaño, ¡algunas son muy pequeñas y otras muy grandes!, En realidad, los cráteres son más grandes que las gotas porque el agua se esparce ligeramente después de que golpea la placa, pero todavía le permiten visualizar directamente la gran variedad de tamaños de gota, incluso durante un tiempo muy corto.
- Figura 2
- A. las Mediciones obtenidas con un casero disdrometer, hecho de harina en un plato. B. Un disdrometro óptico. Consiste en un transmisor que genera una lámina de luz hacia el receptor. Cuando una gota cae a través del dispositivo, el receptor queda sombreado (ver Ref., para un artículo científico usando este dispositivo). C. datos de Disdrometer que muestran el número de caídas, basado en clases de tamaño de caída, medidas durante un evento de lluvia que ocurrió el 27 de junio de 2017 en el campus de Ecole des Ponts ParisTech. En el eje X, se puede ver el tamaño de las clases de diámetro y en el eje Y, el número de caída para esa clase. Como puede ver, el ancho de las diversas clases no siempre es el mismo. Son más pequeños para las pequeñas gotas que son más numerosas D. tasa de lluvia en mm / h (eje y) con el tiempo en h (eje X), durante el mismo evento de lluvia mostrado en C., Este gráfico muestra que tres picos de lluvia ocurrieron durante ese día.
como se puede imaginar, los meteorólogos e investigadores querían un dispositivo más automático y preciso que la placa de harina! Ahora utilizan principalmente disdrometros ópticos, que funcionan como se muestra en la figura 2b. este tipo de disdrometro está hecho de dos partes: un transmisor y un receptor. El transmisor genera una lámina de luz de unos pocos mm de altura. El receptor está alineado con el transmisor, lo que significa que cuando no llueve, el receptor recibe toda la luz., Sin embargo, cuando una gota pasa a través de la lámina de luz, ¿adivina qué sucede? La cantidad de luz recibida es menor, porque una porción se bloquea por la gota. Si la caída cae muy rápidamente, la duración de la disminución de la luz recibida será corta. Así es como se estima la velocidad descendente (velocidad)de la caída. Si la caída es grande, la señal medida por el receptor disminuirá más que con una caída más pequeña. Así es como se estima el tamaño de la gota. De esta manera, se mide el tamaño y la velocidad de cada gota que pasa entre el transmisor y el receptor.,
Las gotas de Lluvia pueden ser tan grandes como 5-6 mm. las gotas más grandes se dividen durante su caída. De hecho, a este tamaño no son lo suficientemente fuertes como para resistir el poder del viento que sienten cuando caen rápidamente. La velocidad a la que caen las gotas aumenta con su tamaño: las gotas de 1 mm caen a 3 m/s, mientras que las gotas de 5 mm (muy grandes) caen a 8 m/s. La Figura 2C muestra el número de gotas de cada tamaño que cayeron durante una tormenta que ocurrió el 27 de junio de 2017 en el área de París. Las gotas pequeñas son mucho más numerosas que las grandes. Pero no olvide que una gota de 1 mm tiene un volumen 125 veces más pequeño que una gota de 5 mm!, Esto significa que, aunque no son numerosas, las grandes gotas representan una gran parte de la profundidad de la lluvia. Consideremos ahora pasos de tiempo sucesivos de 30 s. luego, agregando el volumen de todas las gotas que pasaron por el disdrometro durante un paso de tiempo de 30 s, puede estimar la cantidad de profundidad de lluvia que cayó durante cada paso de tiempo de 30 s. Esta estimación le dará la tasa de lluvia, y por lo general se expresa en mm/h. la tasa de lluvia le da una idea de la fuerza de la lluvia., La tasa de lluvia corresponde a la profundidad de lluvia que se acumularía más de 1 h, si la tasa de lluvia se mantuvo constante durante esta hora (lo que en realidad nunca ocurre en la vida real). La figura 2D muestra la tasa de lluvia (en mm / h), con pasos de tiempo de 30-s, durante el mismo evento del 27 de junio de 2017. La fuerte variabilidad en la tasa de lluvia se puede ver fácilmente en el gráfico.
¿Cómo hacemos mapas de precipitaciones?
hasta ahora, solo hemos hablado de dispositivos que pueden proporcionar mediciones de lluvia en un lugar preciso., Tanto los pluviómetros como los disdrometros solo te dan una idea de la lluvia que cayó sobre ellos, pero no en las áreas circundantes o a 20 km de distancia. Para crear mapas de lluvia, que son mapas con la cantidad de lluvia que ha caído durante un período de tiempo determinado (por ejemplo, 5 min o 1 h) en múltiples ubicaciones, necesitamos confiar en el radar meteorológico.
el funcionamiento del radar meteorológico se resume en la figura 3A. primero, el equipo de radar transmite una onda electromagnética en una dirección, que transfiere cierta energía a través de la atmósfera., Cuando esta energía alcanza una gota de agua en una nube, una pequeña parte de esa energía se envía de vuelta al equipo de radar. Luego, el equipo mide esta cantidad muy pequeña de energía recibida de todas las gotas. Utilizando programas informáticos especiales, es posible convertir la cantidad de energía recibida en la cantidad de lluvia. Es importante recordar que un radar no mide directamente la cantidad de lluvia, sino que mide la cantidad de energía enviada por las gotas. Esta conversión de energía en la cantidad de lluvia resulta ser difícil y la gente todavía está haciendo investigaciones para mejorarla ., Por ejemplo, actualmente la distribución del tamaño de la gota y la ubicación de la gota dentro de un píxel de radar se asumen homogéneas. Es una simplificación excesiva de la realidad que puede afectar a las mediciones . El programa de computadora permite al equipo de radar estimar la cantidad de lluvia en lugares que están lejos de ella. El equipo de radar puede girar y también puede cambiar su ángulo, de modo que puede estimar la tasa de lluvia en todo su entorno.
- Figura 3
- A., El radar meteorológico funciona enviando una onda en la atmósfera donde las gotas devuelven una parte de ella al radar. El equipo que se muestra se encuentra en el campus de la Ecole des Ponts ParisTech. B. Mapa pluviométrico creado a partir de datos obtenidos con este radar el 15 de septiembre de 2016 a lo largo de 3 min y 40 s. dos celdas de precipitaciones muy intensas son visibles en la parte inferior del mapa.
dependiendo del tipo de radar, es posible estimar la precipitación hasta 150-200 km del equipo de radar. Numerosos países desarrollados tienen una red de equipos de radar., Mediante la combinación de los datos recogidos por todos los diferentes equipos de radar, podemos obtener mapas de precipitaciones en todo el país. La figura 3B muestra un ejemplo de un mapa de radar de lluvia medido por equipos de radar en la Ecole des Ponts ParisTech. La variabilidad de la precipitación se puede ver—observe las dos células muy intensas en la parte inferior del mapa, en amarillo y rojo.
¿Qué aprendimos?
La precipitación es extremadamente variable, tanto en el tiempo como entre diferentes ubicaciones, lo que hace que sea muy difícil de medir., Un pluviómetro básicamente recoge el agua que cae sobre él y registra el cambio a lo largo del tiempo en la profundidad de la lluvia, que generalmente se expresa en mm. se puede obtener información mucho más detallada con disdrometros. Un drisdrometro genera una lámina de luz que se bloquea parcialmente cuando una gota cae a través de ella. El tamaño y la velocidad de cada gota que pasa a través de la lámina de luz se estima a partir de la cantidad de luz que está bloqueada., Para crear mapas de lluvia que midan la lluvia en múltiples ubicaciones, tenemos que usar el radar, que básicamente envía algo de energía a la atmósfera y analiza la porción de esa energía que se devuelve cuando rebota en las gotas de lluvia en la atmósfera. Todavía hay muchos científicos trabajando formas de medir con precisión las precipitaciones a lo largo del tiempo y en múltiples lugares a la vez.
Glosario
pluviómetros basculantes: un dispositivo que mide la profundidad acumulada de lluvia (en mm) en una ubicación precisa.,
Disdrometer: un dispositivo que mide el tamaño y la velocidad de cada gota de lluvia que pasa a través de él.
Radar meteorológico: un dispositivo que permite calcular mapas de lluvia sobre un área grande para varios pasos de tiempo (por ejemplo, 5 min, 1 h y 1 día).
homogéneo: ser de tipo similar en todas partes.
Declaración de conflicto de intereses
El autor declara que la investigación se realizó en ausencia de relaciones comerciales o financieras que pudieran ser interpretadas como un potencial conflicto de intereses.,
agradecimientos
Los autores agradecen enormemente el apoyo financiero parcial de la Cátedra «Hidrología para Ciudades Resilientes» (dotada por Veolia) de la Ecole des Ponts ParisTech.