La idea de escribir este artículo literalmente me cayó del cielo, directo en la cabeza, cuando una repentina tormenta de granizos azotó a los que presenciamos una carrera de ciclistas, en un paso de montaña llamado Col de Porte, ubicada en los Alpes franceses. Después de algunos rayos y truenos, la tormenta se tornó rápidamente muy intensa, tan rápido que prácticamente no hubo tiempo para buscar refugio. Por un lapso de varios minutos, cayeron granizos de tamaños que alcanzaban los 2 cm de diámetro (ver figura más abajo), los cuales causaban bastante dolor al impactar el cuerpo. La peor parte se la llevaron los ciclistas que aún tenían que cruzar la línea de meta y no podían protegerse la espalda en ese momento.
Fig.1 - Ejemplo de granizo encontrado en Col de Porte.
Esta granizada, que apenas se aproxima a los casos más extremos que suelen aparecer en las noticias, me hizo recordar la importancia de este tipo de fenómenos meteorológicos, especialmente por los daños que pueden llegar a causar a la gente y la infraestructura.
Cuando pensamos en granizos, suelen venir a nuestra mente preguntas claves asociadas a cómo, cuándo y dónde se originan, qué tan grandes pueden llegar a ser estas bolas de hielo y cuánto daño pueden llegar a causar. Algunas otras preguntas menos frecuentes están relacionadas con qué métodos para detectar granizos existen, cómo podemos predecir con anticipación la ocurrencia de tormentas de granizo y finalmente cuáles son los principales desafíos en la comprensión de este fenómeno, especialmente en un escenario de cambio climático. A continuación abordaré en palabras simples estas preguntas, en base a la literatura científica internacional más reciente.
¿Cuáles son los impactos de las granizadas?
Los registros históricos de granizos más grandes se encuentran en Europa y Estados Unidos. Con tamaños que han superado los 150 mm en Alemania, Francia e Italia; mientras que en Estados Unidos existen datos sobre granizos de hasta 200 mm de diámetro. No me gustaría estar cerca cuando caiga uno de esos.
Fig.2 - Enorme granizo,Vivian, South Dakota, 23/07/2010. La medición está en pulgadas. Fuente:
Severe Weather Europe.
La agricultura se ve fuertemente afectada cuando ocurren eventos intensos de granizo. Precipitaciones de granizos de pequeño tamaño (~6 mm) son suficientes para una pérdida completa de la producción de algunos tipos de cultivo. Granizos de mayor envergadura (~ 25 mm) pueden causar daños en automóviles y edificios. Los costos en daños debido a granizadas ascienden a miles de millones de dólares anuales en los países más afectados.
Pero sin lugar a dudas el peor impacto posible es la pérdida de vidas humanas. Alrededor del mundo, existen numerosos casos en los que granizadas intensas han terminado en consecuencias fatales. Un caso emblemático ocurrió en La Paz, Bolivia, durante una granizada muy intensa el 2002, de poco más de una hora de duración, en donde la combinación del granizo, la lluvia y las condiciones del terreno originaron un deslizamiento de tierra que costó la vida de más de 60 personas.
¿Qué son exactamente los granizos, cómo se forman y qué condiciones ambientales necesitan?
De acuerdo a la Organización Meteorológica Mundial, un granizo es básicamente un pedazo de hielo con un diámetro mayor a 5 mm que cae desde una nube convectiva de gran desarrollo vertical (Cumulonimbus).
Fig.3 - Tipos de nubes.
Para formar los granizos, se necesita que concurran varios elementos y condiciones en el mismo periodo de tiempo y espacio. En primer lugar, deben existir partículas de menos de 5 mm de diámetro llamadas embriones de granizo (o semillas), que pueden ser cristales de hielo que han crecido por cencellamiento, es decir cristales que han aumentado de tamaño gracias a miles de pequeñas gotitas de agua que se han congelado en torno al cristal. Este tipo de embriones son regularmente llamados graupel o aguanieve (porque se derriten al llegar al suelo) en la literatura científica y en medios de comunicación. En la figura siguiente se aprecian dos cristales de hielo con muy bajo (A) y alto (B) nivel de cencellamiento. Los embriones de granizo también pueden ser gotas de agua congeladas y menos frecuentemente otras partículas de origen animal o vegetal.
Fig.4 - Ejemplos de cencellamiento. A: Muy bajo nivel, B: Alto nivel de cencellamiento. Figuras de cristales de la Antártida, obtenidas del proyecto APRES3.
Un segundo elemento para la formación de granizo es el vapor de agua que da vida a todo este sistema. El vapor de agua es el responsable de la formación del cumulonimbus, de los embriones de granizo y de un tercer ingrediente muy importante, pequeñas gotitas de agua líquida superenfriada, las cuales se encargan de alimentar a los embriones para que crezcan sanos y fuertes, logrando caer en la tierra sin derretirse en el intento. Estas diminutas gotitas se forman cuando fuertes corrientes de aire ascendentes (típicas en las nubes convectivas debido a su inestabilidad) desplazan el vapor de agua hasta la parte alta de la nube, donde la temperatura es suficientemente baja para condensar el vapor en gotitas líquidas. En ausencia de partículas sólidas como polen, sal, polvo u otros aerosoles, llamados núcleos de hielo, estas gotitas de agua permanecen líquidas a pesar de que las temperaturas sean inferiores al punto de congelación (0°C), por eso el nombre “superenfriadas”. Como podrías imaginar, permanecer líquido con temperaturas tan bajas no es una situación muy estable, por lo que cualquier perturbación puede cambiar ese estado.
Ya tenemos todos los ingredientes en la mesa. ¿Recuerdas las corrientes de aire ascendentes que mencioné antes? Vuelven a entrar en escena, ahora desplazando los embriones de granizo hacia las partes más altas de la nube. Cuando un embrión colisiona con las gotitas de agua superenfriadas, éstas se adhieren y congelan velozmente, aumentando el tamaño del ahora recién nacido granizo de manera significativa. Las trayectorias de los granizos tienden a ser cíclicas, aunque con una única ascensión larga principal. Mientras más tiempo pase el granizo recolectando gotitas de agua, más grande crecerá, por lo que la intensidad de las corrientes de aire ascendentes, el tiempo de vida y la extensión vertical de la nube tendrán un rol muy importante en el tamaño máximo que puede alcanzar un granizo, así como también la disponibilidad de gotitas de agua superenfriadas (el alimento). En menor medida los granizos pueden crecer por deposición de vapor, que significa que el vapor de agua presente en la nube pasa directamente a estado sólido alrededor del granizo, mientras que otra forma igual de poco frecuente es la agregación de dos o más granizos. Llegará un momento en que la sustentación que producen las corrientes ascendentes no podrán mantener el granizo en la nube, debido a su gran peso, por lo que éste caerá irremediablemente hasta la superficie terrestre.
El proceso de crecimiento del granizo se puede clasificar en dos tipos: el crecimiento húmedo y crecimiento seco. El primer caso ocurre cuando la temperatura en donde se encuentran las gotitas no es lo suficientemente baja para que éstas se solidifiquen inmediatamente al colisionar con el granizo, formando una capa de agua alrededor del granizo, hasta que a gran altura (a muy baja temperatura) la capa de agua se solidifica con un aspecto transparente. Este caso se puede ver claramente en la primera foto de ejemplo, donde muestro un granizo en mi mano. Se aprecia en el centro el embrión de granizo y por fuera una capa transparente de hielo.
El crecimiento seco ocurre cuando las gotitas superenfriadas se congelan muy rápidamente al chocar con los embriones, dejando burbujas de aire entre las gotitas, haciendo que las capas del granizo sean más bien opacas. Los distintos tipos de crecimiento tienen importantes implicancias en el balance de energía de la atmósfera y también afectan fuertemente en la manera en que las ondas de los radares meteorológicos interactúan con los granizos a la hora de detectarlos y medirlos.
Más arriba mencioné la “inestabilidad” de las nubes convectivas, con esto me refería específicamente a la inestabilidad térmica o hidrostática. Para que haya movimiento vertical de las masas de aire, es necesario que haya un fuerte gradiente o diferencia entre la temperatura de la superficie de la tierra y la parte alta de la nube. Si el aire húmedo cerca del suelo está caliente, éste tenderá a subir porque es menos denso que el aire frío que está más arriba, formando las corrientes de aire ascendentes. Los cambios de velocidad y/o dirección del viento a medida que aumenta la altitud (cizalladura vertical) ayudan a que se forme una zona de salida de las corrientes de aire después que se han enfriado dentro de la nube, evitando que las corrientes cálidas ascendentes se enfríen, lo que asegura una tormenta más larga (ver la siguiente animación).
Fig.5 - Corrientes de aire cálido ascendentes dentro de una tormenta convectiva (flechas rojas). Aire descendentes más frío expulsado lejos de la zona de entrada (flechas negras). Fuente: Oficina de Meteorología Australiana).
La radiación solar y la advección (transporte horizontal) de aire caliente contribuyen en el calentamiento del aire cerca de la superficie, por esta razón, las tormentas convectivas y especialmente las tormentas de granizo son más frecuentes en los meses cálidos y menos frecuentes en períodos y lugares fríos. Es importante tener en cuenta que temperaturas extremadamente altas cerca de la superficie terrestre también pueden jugar en contra de la producción de granizos, si es que estos se derriten antes de llegar al suelo. Adicionalmente el enfriamiento en la parte alta de la nube también favorece la inestabilidad.
En varias regiones del mundo, los sistemas frontales tienen un importante rol en la formación de tormentas convectivas de gran desarrollo vertical, incluyendo tormentas de granizo, debido a que favorecen el mecanismo de elevación de las masas de aire cálido tan necesario para la colisión de partículas. Del mismo modo, el relieve montañoso también influye en el cambio de la dirección de las corrientes de aire horizontales y verticales, favoreciendo la formación de tormentas de granizo.
Finalmente, las tormentas llamadas superceldas o supercélulas son inmensas tormentas convectivas en rotación, generalmente asociadas a intensos vientos, a la formación de tornados y a una alta producción de granizos debido a su gran desarrollo vertical y larga duración, de hasta varias horas. Este tipo de tormentas concentra todos los ingredientes para formar grandes bolas de granizo.
Para tener una idea de cómo se distribuyen las tormentas de granizo en el mundo, en la figura a continuación se observa un mapa de la probabilidad de ocurrencia anual de granizo basado en un modelo que utiliza las variables ambientales que mejor representan la frecuencia de granizo, tales como la inestabilidad térmica, la altura de la isoterma 0°C (donde ocurre el cambio de fase de sólido a líquido), velocidad vertical del viento, entre otras.
Fig.6 - Modelo de distribución de la ocurrencia anual de granizo en el mundo elaborado con datos de ERA-Interim entre 1979 y 2015 (Prein and Holland, 2018, WCE, Fig. 11a).
¿Cómo detectar y medir granizos?
En meteorología y ciencias en general, la medición y el registro de variables asociadas a fenómenos naturales es fundamental para poder comprender sus procesos, elaborar modelos y posteriormente poder evaluarlos. Cuando se habla de precipitación en general, la frecuencia de ocurrencia es una variable muy importante a estudiar. Cuando se trata de granizos, del tamaño de las bolas de hielo es una de las variables claves para determinar sus impactos.
Cuando ocurre una tormenta de granizos, ésta se encuentra restringida a una pequeña extensión espacial, por lo que sin un sistema de observación apropiado es muy difícil poder capturar su información adecuadamente. Un problema importante es que existen muy pocas redes extendidas y estandarizadas de monitoreo de tormentas de granizo. La información más frecuente son las observaciones locales realizadas por personas. Estas observaciones no siempre pueden ser rigurosas ni regulares, pueden estar sujetas a confusiones o imprecisiones, como por ejemplo confundir graupel o gotas de lluvia congelada con granizos, pero estas observaciones combinadas con otras fuentes de información pueden ser realmente valiosas para analizar la ocurrencia de granizadas extremas.
Hay escasas estaciones meteorológicas que tienen instrumentos especialmente equipados para medir el tamaño y masa de granizos, como es el caso del Hailpad, que consiste en una espuma plástica, cubierta por aluminio u otro material, que se pone firmemente en el suelo para recibir los impactos de los granizos, los cuales dejan hendiduras que permiten analizar la distribución de los tamaños. Nuevamente, a pesar de que esta información es muy valiosa, la escasez de este tipo de instrumentos vuelve muy difícil caracterizar la variabilidad espacial a escala local de la ocurrencia de granizos.
Fig.7 - Ejemplo de las mediciones de granizo realizadas con un hailpad. Se observan marcas de más de 1 pulgada (2.54 cm). Fuente: CocoRaHS.
Finalmente, los radares meteorológicos representan una gran herramienta para el monitoreo de este tipo de fenómenos, debido a que pueden cubrir una gran superficie, con alta resolución espacial y temporal de manera continuada. Los radares emiten una señal electromagnética que es dispersada por las partículas en la atmósfera, posteriormente parte de esa señal dispersada es captada devuelta por la antena del radar. Esta información se procesa para conocer la posición en el espacio de las partículas, su velocidad en dirección a la antena (usando el efecto Doppler) y la reflectividad de radar (relacionada con la cantidad de señal que se devuelve desde la partícula). Como los granizos son mucho más grandes que los copos de nieve y la lluvia, los valores de reflectividad son mucho más altos y se usan umbrales para detectarlos. Es importante tener en cuenta que los instrumentos de percepción remota presentan una alta incertidumbre en la estimación del tamaño de los granizos y muchas veces no es posible obtener esa información. La combinación de estas técnicas con datos meteorológicos o información de satélite es muy útil para comprender la respuesta de los hidrometeoros (nombre genérico de las distintas formas que toma el agua en la atmósfera como lluvia, nubes o granizos, etc.) a las ondas electromagnéticas.
¿Cómo predecir su ocurrencia de granizadas con anticipación?
Predecir con anticipación la ocurrencia de granizos es muy importante para tomar decisiones oportunas y evitar daños severos. No es difícil saber de manera general en qué regiones podrían caer granizos, porque estos están asociados a las grandes tormentas convectivas. Sin embargo, dada la naturaleza dinámica de este fenómeno y las numerosas variables que intervienen en el proceso de origen, crecimiento y trayectoria, es muy difícil determinar con exactitud en qué lugar tocarán la superficie terrestre. La predicción del tamaño de los granizos es aún más difícil y es frecuentemente subestimada, especialmente en eventos con granizos de gran tamaño.
Los modelos usan información de variables ambientales como referencia para estimar la talla máxima probable de granizo en base a la elevación del terreno, elevación de la isoterma 0°C, energía potencial convectiva disponible (índice CAPE) que mide la inestabilidad térmica, entre otras variables claves.
Cambio climático y desafíos entorno a los granizos
Según diversas proyecciones, se espera que haya un aumento de las condiciones favorables para el desarrollo de tormentas convectivas, incrementando su frecuencia, intensidad y duración en distintas regiones del mundo, debido a un aumento de las temperaturas, que lleva al incremento de la energía disponible en la atmósfera para generar corrientes de viento ascendentes. Sin embargo, no está del todo claro si estos cambios también se aplicarán a la producción de granizo.
Autores sugieren que en algunas regiones de Estados Unidos (centro y planicies del norte), por ejemplo, aumentará la frecuencia y tamaño de los granizos, incrementando su severidad. Pero los modelos son muy sensibles a la forma en que se configuran y es muy difícil saber, cómo las características de una tormenta se traducen exactamente en la producción de granizos, en términos de frecuencia y tamaño. Que ciertas condiciones ambientales indiquen que un fenómeno sea favorable, no significa necesariamente que este fenómeno vaya ocurrir.
Como mencioné en la sección relacionada con detección y medición de granizos, aún existen muchas limitaciones para comprender correctamente este complejo fenómeno meteorológico, debido a que no contamos con redes de monitoreo suficientemente densas o correctamente equipadas. Estas limitaciones se traducen en incertidumbre que es transmitida también a las proyecciones futuras.
Lo que sí está claro es la relevancia que tienen los granizos en la sociedad y lo importante que es comprender su situación actual y futura con mayor detalle, para poder estar preparados y saber cómo adaptarnos de la mejor manera ante eventuales cambios en las próximas décadas. Por esta razón, es fundamental aumentar los esfuerzos en investigación, mejorando los métodos de monitoreo y modelación de granizos, entre otros fenómenos extremos que nos afectan.
Si llegaste hasta aquí, puede que tú tengas el interés y la motivación para contribuir en el futuro de la investigación de los granizos agregando una nueva pieza a este interesante rompecabezas.
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También me gustaría saber sobre tu experiencia ¿Has visto tormentas de granizo? ¿Dónde? ¿Qué tan grandes fueron?
Muchas gracias y hasta el siguiente post.
Por Claudio Durán-Alarcón
