Vapor de agua

Fase gaseosa del agua

Vapor de agua (H 2 O)
El vapor de agua invisible se condensa para formar nubes visibles de gotas de lluvia líquida.
Estado liquido	Agua
De Estado sólido	Hielo
Propiedades [1]
Fórmula molecular	H 2 O
Masa molar	18.01528 (33)  g / mol
Punto de fusion	0,00  ° C (273,15  K ) [2]
Punto de ebullición	99,98 ° C (373,13 K) [2]
constante de gas específica	461,5 J / ( kg · K)
Calor de vaporización	2,27 MJ / kg
Capacidad calorífica a 300 K	1.864 kJ / (kg · K) [3]

El vapor de agua , el vapor de agua o el vapor de agua es la fase gaseosa del agua . Es un estado del agua dentro de la hidrosfera . El vapor de agua se puede producir por evaporación o ebullición de agua líquida o por sublimación del hielo . El vapor de agua es transparente, como la mayoría de los componentes de la atmósfera. ^[4] En condiciones atmosféricas típicas, el vapor de agua se genera continuamente por evaporación y se elimina por condensación . Es menos denso que la mayoría de los demás componentes del aire.y desencadena corrientes de convección que pueden conducir a nubes.

Al ser un componente de la hidrosfera y el ciclo hidrológico de la Tierra, es particularmente abundante en la atmósfera de la Tierra , donde actúa como el gas de efecto invernadero más potente , más fuerte que otros gases como el dióxido de carbono y el metano . El uso de vapor de agua, como vapor , ha sido importante para cocinar y como un componente principal en los sistemas de producción y transporte de energía desde la revolución industrial .

El vapor de agua es un constituyente atmosférico relativamente común, presente incluso en la atmósfera solar , así como en todos los planetas del Sistema Solar y en muchos objetos astronómicos, incluidos satélites naturales , cometas e incluso grandes asteroides . Asimismo, la detección de vapor de agua extrasolar indicaría una distribución similar en otros sistemas planetarios. El vapor de agua es significativo porque puede ser una evidencia indirecta que respalde la presencia de agua líquida extraterrestre en el caso de algunos objetos de masa planetaria.

Propiedades

Evaporación

Siempre que una molécula de agua deja una superficie y se difunde en un gas circundante, se dice que se ha evaporado . Cada molécula de agua individual que cambia entre un estado más asociado (líquido) y un estado menos asociado (vapor / gas) lo hace mediante la absorción o liberación de energía cinética . La medición agregada de esta transferencia de energía cinética se define como energía térmica y ocurre solo cuando existe un diferencial en la temperatura de las moléculas de agua. El agua líquida que se convierte en vapor de agua lleva consigo una parcela de calor, en un proceso llamado enfriamiento por evaporación . ^[5]La cantidad de vapor de agua en el aire determina la frecuencia con la que las moléculas regresarán a la superficie. Cuando ocurre una evaporación neta, el cuerpo de agua sufrirá un enfriamiento neto directamente relacionado con la pérdida de agua.

En los EE. UU., El Servicio Meteorológico Nacional mide la tasa real de evaporación de una superficie de agua abierta "bandeja" estandarizada al aire libre, en varios lugares de todo el país. Otros hacen lo mismo en todo el mundo. Los datos de EE. UU. Se recopilan y compilan en un mapa de evaporación anual. ^[6] Las medidas oscilan entre 30 y más de 120 pulgadas por año. Se pueden utilizar fórmulas para calcular la tasa de evaporación de una superficie de agua como una piscina. ^{[7] [8]} En algunos países, la tasa de evaporación supera con creces la tasa de precipitación .

El enfriamiento evaporativo está restringido por las condiciones atmosféricas . La humedad es la cantidad de vapor de agua en el aire. El contenido de vapor del aire se mide con dispositivos conocidos como higrómetros . Las medidas se expresan generalmente como humedad específica o porcentaje de humedad relativa . Las temperaturas de la atmósfera y la superficie del agua determinan la presión de vapor de equilibrio; El 100% de humedad relativa ocurre cuando la presión parcial de vapor de agua es igual a la presión de vapor de equilibrio. Esta condición a menudo se conoce como saturación completa. La humedad varía de 0 gramos por metro cúbico en aire seco a 30 gramos por metro cúbico (0.03 onzas por pie cúbico) cuando el vapor está saturado a 30 ° C. ^[9]

Micrografía electrónica de tejido capilar grabado por congelación

Sublimación

La sublimación es el proceso por el cual las moléculas de agua abandonan directamente la superficie del hielo sin convertirse primero en agua líquida. La sublimación explica la lenta desaparición a mediados del invierno del hielo y la nieve a temperaturas demasiado bajas para provocar el derretimiento. La Antártida muestra este efecto en un grado único porque es, con mucho, el continente con la tasa más baja de precipitación en la Tierra. Como resultado, hay grandes áreas donde las capas milenarias de nieve se han sublimado, dejando atrás los materiales no volátiles que contenían. Esto es extremadamente valioso para ciertas disciplinas científicas, un ejemplo dramático es la colección de meteoritos que quedan expuestos en cantidades inigualables y en excelentes estados de conservación.

La sublimación es importante en la preparación de ciertas clases de muestras biológicas para microscopía electrónica de barrido . Normalmente, las muestras se preparan mediante criofijación y congelación-fractura , después de lo cual la superficie rota se liofiliza y se erosiona por exposición al vacío hasta que muestra el nivel de detalle requerido. Esta técnica puede mostrar moléculas de proteínas, estructuras de orgánulos y bicapas lipídicas con muy bajos grados de distorsión.

Condensación

Nubes, formadas por vapor de agua condensado.

El vapor de agua solo se condensará en otra superficie cuando esa superficie esté más fría que la temperatura del punto de rocío , o cuando se haya excedido el equilibrio del vapor de agua en el aire. Cuando el vapor de agua se condensa en una superficie, se produce un calentamiento neto en esa superficie. La molécula de agua trae consigo energía térmica. A su vez, la temperatura de la atmósfera desciende levemente. ^[10] En la atmósfera, la condensación produce nubes, niebla y precipitación (por lo general, solo cuando la facilitan los núcleos de condensación de las nubes ). El punto de rocío de un paquete de aire es la temperatura a la que debe enfriarse antes de que el vapor de agua en el aire comience a condensarse. La condensación en la atmósfera forma gotas de nubes.

Además, se produce una condensación neta de vapor de agua en las superficies cuando la temperatura de la superficie es igual o inferior a la temperatura del punto de rocío de la atmósfera. La deposición es una transición de fase separada de la condensación que conduce a la formación directa de hielo a partir del vapor de agua. Las heladas y la nieve son ejemplos de deposición.

Existen varios mecanismos de enfriamiento por los que se produce la condensación: 1) Pérdida directa de calor por conducción o radiación. 2) Enfriamiento por la caída de la presión del aire que ocurre con la elevación del aire, también conocido como enfriamiento adiabático . El aire puede ser elevado por montañas, que desvían el aire hacia arriba, por convección y por frentes fríos y cálidos. 3) Enfriamiento advectivo: enfriamiento debido al movimiento horizontal del aire.

Reacciones químicas

Varias reacciones químicas tienen agua como producto. Si las reacciones tienen lugar a temperaturas superiores al punto de rocío del aire circundante, el agua se formará en forma de vapor y aumentará la humedad local, si por debajo del punto de rocío se producirá condensación local. Las reacciones típicas que dan como resultado la formación de agua son la quema de hidrógeno o hidrocarburos en el aire u otras mezclas de gases que contienen oxígeno , o como resultado de reacciones con oxidantes.

De manera similar, otras reacciones químicas o físicas pueden tener lugar en presencia de vapor de agua, lo que da como resultado la formación de nuevos productos químicos, como la oxidación del hierro o el acero, la polimerización (ciertas espumas de poliuretano y las colas de cianoacrilato se curan con la exposición a la humedad atmosférica) o el cambio de formas. como cuando los productos químicos anhidros pueden absorber suficiente vapor para formar una estructura cristalina o alterar una existente, lo que a veces resulta en cambios de color característicos que se pueden utilizar para la medición .

Medida

La medición de la cantidad de vapor de agua en un medio se puede realizar de forma directa o remota con distintos grados de precisión. Los métodos remotos como la absorción electromagnética son posibles desde satélites por encima de atmósferas planetarias. Los métodos directos pueden utilizar transductores electrónicos, termómetros humedecidos o materiales higroscópicos que midan cambios en las propiedades físicas o dimensiones.

	medio	rango de temperatura (degC)	incertidumbre de la medición	frecuencia de medición típica	costo del sistema	notas
Psicrómetro de cabestrillo	aire	−10 a 50	bajo a moderado	cada hora	bajo
Espectroscopia basada en satélites	aire	−80 a 60	bajo		muy alto
Sensor capacitivo	aire / gases	−40 a 50	moderar	2 hasta 0,05 Hz	medio	propenso a saturarse / contaminarse con el tiempo
Sensor capacitivo calentado	aire / gases	−15 a 50	moderado a bajo	2 a 0,05 Hz (depende de la temperatura)	medio a alto	propenso a saturarse / contaminarse con el tiempo
Sensor resistivo	aire / gases	−10 a 50	moderar	60 segundos	medio	propenso a la contaminación
Célula de rocío de cloruro de litio	aire	−30 a 50	moderar	continuo	medio	ver la celda de rocío
Cloruro de cobalto (II)	aire / gases	0 hasta 50	alto	5 minutos	muy bajo	Se utiliza a menudo en la tarjeta indicadora de humedad.
Espectroscopía de absorción	aire / gases		moderar		alto
Oxido de aluminio	aire / gases		moderar		medio	ver análisis de humedad
Óxido de silicio	aire / gases		moderar		medio	ver análisis de humedad
Sorción piezoeléctrica	aire / gases		moderar		medio	ver análisis de humedad
Electrolítico	aire / gases		moderar		medio	ver análisis de humedad
Tensión del cabello	aire	0 hasta 40	alto	continuo	bajo a medio	Afectado por la temperatura. Afectado adversamente por altas concentraciones prolongadas
Nefelómetro	aire / otros gases		bajo		muy alto
Piel de Goldbeater (peritoneo de vaca)	aire	−20 a 30	moderado (con correcciones)	lento, más lento a temperaturas más bajas	bajo	ref: Guía de la OMM de instrumentos y métodos de observación meteorológicos No. 8 2006, (páginas 1.12–1)
Lyman-alfa				alta frecuencia	alto	http://amsglossary.allenpress.com/glossary/search?id=lyman-alpha-hygrometer1 Requiere calibración frecuente
Higrómetro gravimétrico			muy bajo		muy alto	a menudo llamado fuente primaria, estándares nacionales independientes desarrollados en EE. UU., Reino Unido, UE y Japón
	medio	rango de temperatura (degC)	incertidumbre de la medición	frecuencia de medición típica	costo del sistema	notas

Impacto en la densidad del aire

El vapor de agua es más ligero o menos denso que el aire seco . ^{[11] [12]} A temperaturas equivalentes es flotante con respecto al aire seco, por lo que la densidad del aire seco a temperatura y presión estándar (273.15 K, 101.325 kPa) es 1.27 g / L y el vapor de agua a temperatura estándar tiene un vapor presión de 0,6 kPa y la densidad mucho más baja de 4,85 mg / L.

Cálculos

Cálculos de vapor de agua y densidad de aire seco a 0 ° C:

• La masa molar del agua es 18.02 g / mol , calculada a partir de la suma de las masas atómicas de sus átomos constituyentes .
• La masa molecular promedio del aire (aproximadamente 78% de nitrógeno, N ₂ ; 21% de oxígeno, O ₂ ; 1% de otros gases) es 28,57 g / mol a temperatura y presión estándar ( STP ).
• Obedeciendo la ley de Avogadro y la ley de los gases ideales , el aire húmedo tendrá una densidad más baja que el aire seco. A máx. saturación (es decir, humedad relativa = 100% a 0 ° C) la densidad bajará a 28,51 g / mol.
• Las condiciones STP implican una temperatura de 0 ° C, a la cual la capacidad del agua para convertirse en vapor es muy limitada. Su concentración en el aire es muy baja a 0 ° C. La línea roja en el gráfico de la derecha es la concentración máxima de vapor de agua esperada para una temperatura determinada. La concentración de vapor de agua aumenta significativamente a medida que aumenta la temperatura, acercándose al 100% ( vapor , vapor de agua pura) a 100 ° C. Sin embargo, la diferencia de densidades entre el aire y el vapor de agua seguiría existiendo (0,598 frente a 1,27 g / l).

A temperaturas iguales

A la misma temperatura, una columna de aire seco será más densa o más pesada que una columna de aire que contenga cualquier vapor de agua, siendo la masa molar de nitrógeno diatómico y oxígeno diatómico ambos mayores que la masa molar del agua. Por lo tanto, cualquier volumen de aire seco se hundirá si se coloca en un volumen mayor de aire húmedo. Además, un volumen de aire húmedo aumentará o flotará si se coloca en una región más grande de aire seco. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la proporción de vapor de agua en el aire y aumentará su flotabilidad. El aumento de la flotabilidad puede tener un impacto atmosférico significativo, dando lugar a corrientes de aire ascendentes potentes y ricas en humedad cuando la temperatura del aire y la temperatura del mar alcanzan los 25 ° C o más. Este fenómeno proporciona una fuerza impulsora significativa paraSistemas meteorológicos ciclónicos y anticiclónicos (tifones y huracanes).

Respiración y respiración

El vapor de agua es un subproducto de la respiración en plantas y animales. Su contribución a la presión aumenta a medida que aumenta su concentración. Su contribución de presión parcial a la presión del aire aumenta, disminuyendo la contribución de presión parcial de los otros gases atmosféricos (Ley de Dalton) . La presión total del aire debe permanecer constante. La presencia de vapor de agua en el aire naturalmente diluye o desplaza a los otros componentes del aire a medida que aumenta su concentración.

Esto puede afectar la respiración. En aire muy cálido (35 ° C), la proporción de vapor de agua es lo suficientemente grande como para dar lugar a la congestión que se puede experimentar en condiciones de selva húmeda o en edificios mal ventilados.

Levantando gas

El vapor de agua tiene una densidad más baja que la del aire y, por lo tanto, flota en el aire, pero tiene una presión de vapor más baja que la del aire. Cuando el vapor de agua se utiliza como gas de elevación por una aeronave térmica, el vapor de agua se calienta para formar vapor de modo que su presión de vapor sea mayor que la presión del aire circundante para mantener la forma de un "globo de vapor" teórico, que rinde aproximadamente 60% de elevación de helio y el doble de aire caliente. ^[13]

Discusión general

La cantidad de vapor de agua en una atmósfera está limitada por las restricciones de presiones parciales y temperatura. La temperatura del punto de rocío y la humedad relativa actúan como pautas para el proceso del vapor de agua en el ciclo del agua . La entrada de energía, como la luz solar, puede provocar más evaporación en la superficie del océano o más sublimación en un trozo de hielo en la cima de una montaña. El equilibrio entre condensación y evaporación da la cantidad llamada presión parcial de vapor .

La presión parcial máxima (presión de saturación ) del vapor de agua en el aire varía con la temperatura de la mezcla de aire y vapor de agua. Existe una variedad de fórmulas empíricas para esta cantidad; la fórmula de referencia más utilizada es la ecuación de Goff-Gratch para el SVP sobre agua líquida por debajo de cero grados Celsius:

${\displaystyle {\begin{aligned}\log _{10}\left(p\right)=&-7.90298\left({\frac {373.16}{T}}-1\right)+5.02808\log _{10}{\frac {373.16}{T}}\\&-1.3816\times 10^{-7}\left(10^{11.344\left(1-{\frac {T}{373.16}}\right)}-1\right)\\&+8.1328\times 10^{-3}\left(10^{-3.49149\left({\frac {373.16}{T}}-1\right)}-1\right)\\&+\log _{10}\left(1013.246\right)\end{aligned}}}$

donde T , la temperatura del aire húmedo, se expresa en kelvin y p se expresa en milibares ( hectopascales ).

La fórmula es válida desde aproximadamente -50 a 102 ° C; sin embargo, hay un número muy limitado de mediciones de la presión de vapor de agua sobre agua líquida superenfriada. Hay una serie de otras fórmulas que se pueden utilizar. ^[14]

Bajo ciertas condiciones, como cuando se alcanza la temperatura de ebullición del agua, siempre se producirá una evaporación neta durante las condiciones atmosféricas estándar, independientemente del porcentaje de humedad relativa. Este proceso inmediato disipará cantidades masivas de vapor de agua en una atmósfera más fría.

El aire exhalado está casi completamente en equilibrio con el vapor de agua a la temperatura corporal. En el aire frío, el vapor exhalado se condensa rápidamente, apareciendo como una niebla o neblina de gotas de agua y como condensación o escarcha en las superficies. La condensación forzosa de estas gotas de agua del aliento exhalado es la base del condensado del aliento exhalado , una prueba de diagnóstico médico en evolución.

Controlar el vapor de agua en el aire es una preocupación clave en la industria de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC). El confort térmico depende de las condiciones del aire húmedo. Las situaciones de comodidad no humana se denominan refrigeración y también se ven afectadas por el vapor de agua. Por ejemplo, muchas tiendas de alimentos, como los supermercados, utilizan gabinetes refrigeradores abiertos o vitrinas de alimentos , que pueden reducir significativamente la presión del vapor de agua (bajando la humedad). Esta práctica ofrece varios beneficios y problemas.

En la atmósfera de la Tierra

Evidencia de cantidades crecientes de vapor de agua estratosférico a lo largo del tiempo en Boulder, Colorado.

Más información: Atmósfera de la Tierra

El agua gaseosa representa un componente de la atmósfera pequeño pero ambientalmente significativo . El porcentaje de vapor de agua en el aire de la superficie varía de 0.01% a -42 ° C (-44 ° F) ^[15] a 4.24% cuando el punto de rocío es 30 ° C (86 ° F). ^[16] Aproximadamente el 99,13% está contenido en la troposfera . La condensación del vapor de agua a la fase líquida o de hielo es responsable de las nubes , la lluvia, la nieve y otras precipitaciones , todas las cuales cuentan entre los elementos más importantes de lo que experimentamos como clima. Menos obvio, el calor latente de vaporización, que se libera a la atmósfera cuando se produce la condensación, es uno de los términos más importantes en el balance energético atmosférico tanto a escala local como global. Por ejemplo, la liberación de calor latente en la convección atmosférica es directamente responsable de impulsar tormentas destructivas como ciclones tropicales y tormentas eléctricas severas . El vapor de agua es el gas de efecto invernadero más potente debido a la presencia del enlace hidroxilo que absorbe fuertemente en la región infrarroja del espectro de luz .

El vapor de agua es el "medio de trabajo" del motor termodinámico atmosférico que transforma la energía térmica de la irradiación solar en energía mecánica en forma de vientos. La transformación de la energía térmica en energía mecánica requiere un nivel de temperatura superior e inferior, así como un medio de trabajo que va y viene entre ambos. El nivel superior de temperatura viene dado por el suelo o la superficie del agua de la tierra, que absorbe la radiación solar entrante y calienta, evaporando el agua. El aire húmedo y cálido del suelo es más ligero que el que lo rodea y se eleva hasta el límite superior de la troposfera. Allí, las moléculas de agua irradian su energía térmica al espacio exterior, enfriando el aire circundante. La atmósfera superior constituye el nivel de temperatura más bajo del motor termodinámico atmosférico. El vapor de agua en el aire ahora frío se condensa y cae al suelo en forma de lluvia o nieve. El aire frío y seco, ahora más pesado, también desciende al suelo; el motor termodinámico atmosférico establece así una convección vertical, que transporta el calor del suelo a la atmósfera superior, donde las moléculas de agua pueden irradiarlo al espacio exterior. Debido a la rotación de la tierra y las fuerzas de Coriolis resultantes, esta convección atmosférica vertical también se convierte en una convección horizontal, en forma de ciclones y anticiclones, que transportan el agua evaporada sobre los océanos hacia el interior de los continentes, permitiendo que la vegetación crezca. . el motor termodinámico atmosférico establece así una convección vertical, que transporta el calor del suelo a la atmósfera superior, donde las moléculas de agua pueden irradiarlo al espacio exterior. Debido a la rotación de la tierra y las fuerzas de Coriolis resultantes, esta convección atmosférica vertical también se convierte en una convección horizontal, en forma de ciclones y anticiclones, que transportan el agua evaporada sobre los océanos hacia el interior de los continentes, permitiendo que la vegetación crezca. . el motor termodinámico atmosférico establece así una convección vertical, que transporta el calor del suelo a la atmósfera superior, donde las moléculas de agua pueden irradiarlo al espacio exterior. Debido a la rotación de la tierra y las fuerzas de Coriolis resultantes, esta convección atmosférica vertical también se convierte en una convección horizontal, en forma de ciclones y anticiclones, que transportan el agua evaporada sobre los océanos hacia el interior de los continentes, permitiendo que la vegetación crezca. .^[17]

El agua en la atmósfera de la Tierra no es meramente por debajo de su punto de ebullición (100 ° C), pero en la altura que está por debajo de su punto de congelación (0 ° C), debido al agua es la atracción altamente polar . Cuando se combina con su cantidad, el vapor de agua tiene un punto de rocío y un punto de congelación relevantes , a diferencia de, por ejemplo, el dióxido de carbono y el metano. Por tanto, el vapor de agua tiene una altura de escala una fracción de la de la atmósfera a granel, ^{[18] [19] [20] a} medida que el agua se condensa y sale , principalmente en la troposfera , la capa más baja de la atmósfera. ^[21] Dióxido de carbono ( CO2) y el metano , que no es polar, se eleva por encima del vapor de agua. La absorción y emisión de ambos compuestos contribuyen a la emisión de la Tierra al espacio y, por tanto, al efecto invernadero planetario . ^{[19] [22] [23]} Este forzamiento de efecto invernadero es directamente observable, a través de distintas características espectrales frente al vapor de agua, y se observa que aumenta con el aumento de CO
2niveles. ^[24] Por el contrario, la adición de vapor de agua a grandes altitudes tiene un impacto desproporcionado, por lo que el metano (que se eleva y luego se oxida a CO
2y dos moléculas de agua) y el tráfico de aviones ^{[25] [26] [27]} tienen efectos de calentamiento desproporcionadamente altos.

Está menos claro cómo respondería la nubosidad a un clima más cálido; Dependiendo de la naturaleza de la respuesta, las nubes podrían amplificar aún más o mitigar parcialmente el calentamiento de los gases de efecto invernadero de larga duración.

En ausencia de otros gases de efecto invernadero, el vapor de agua de la Tierra se condensaría en la superficie; ^{[28] [29] [30]} esto probablemente haya sucedido , posiblemente más de una vez. Por tanto, los científicos distinguen entre gases de efecto invernadero no condensables (impulsores) y condensables (impulsados), es decir, la retroalimentación de vapor de agua anterior. ^{[31] [32] [33]}

La niebla y las nubes se forman a través de la condensación alrededor de los núcleos de condensación de las nubes . En ausencia de núcleos, la condensación solo se producirá a temperaturas mucho más bajas. Bajo una condensación o deposición persistente, se forman gotas de nubes o copos de nieve, que se precipitan cuando alcanzan una masa crítica.

El contenido de agua de la atmósfera en su conjunto se agota constantemente por la precipitación. Al mismo tiempo, se repone constantemente por evaporación, sobre todo en mares, lagos, ríos y tierra húmeda. Otras fuentes de agua atmosférica incluyen la combustión, la respiración, las erupciones volcánicas, la transpiración de las plantas y varios otros procesos biológicos y geológicos. En un momento dado hay 1,29 x 10 ¹⁶ l (3,4 x 10 ¹⁵gal.) de agua en la atmósfera. La atmósfera contiene 1 parte en 2500 del agua dulce y 1 parte en 100 000 del agua total de la Tierra. El contenido global medio de vapor de agua en la atmósfera es aproximadamente suficiente para cubrir la superficie del planeta con una capa de agua líquida de aproximadamente 1 cm de profundidad. La precipitación media anual para el planeta es de aproximadamente 1 metro, lo que implica una rápida renovación del agua en el aire; en promedio, el tiempo de residencia de una molécula de agua en la troposfera es de aproximadamente 9 a 10 días. ^[34]

Los episodios de actividad geotérmica de superficie, como las erupciones volcánicas y los géiseres, liberan cantidades variables de vapor de agua a la atmósfera. Tales erupciones pueden ser grandes en términos humanos, y las grandes erupciones explosivas pueden inyectar masas excepcionalmente grandes de agua excepcionalmente altas en la atmósfera, pero como porcentaje del agua atmosférica total, el papel de tales procesos es trivial. Las concentraciones relativas de los diversos gases emitidos por los volcanes varían considerablemente según el sitio y según el evento particular en cualquier sitio. Sin embargo, el vapor de agua es constantemente el gas volcánico más común ; por regla general, comprende más del 60% de las emisiones totales durante una erupción subaérea . ^[35]

El contenido de vapor de agua atmosférico se expresa utilizando varias medidas. Estos incluyen presión de vapor, humedad específica , proporción de mezcla, temperatura del punto de rocío y humedad relativa .

Imágenes de radar y satélite

Reproducir medios

Estos mapas muestran la cantidad promedio de vapor de agua en una columna de atmósfera en un mes determinado ( haga clic para obtener más detalles ).

MODIS / Terra vapor de agua atmosférico medio global en atm-cm (centímetros de agua en una columna atmosférica si se condensa)

Debido a que las moléculas de agua absorben microondas y otras frecuencias de ondas de radio , el agua en la atmósfera atenúa las señales de radar . ^[36] Además, el agua atmosférica reflejará y refractará las señales en un grado que depende de si es vapor, líquido o sólido.

Generalmente, las señales de radar pierden fuerza progresivamente a medida que viajan a través de la troposfera. Las diferentes frecuencias se atenúan a diferentes velocidades, de modo que algunos componentes del aire son opacos para algunas frecuencias y transparentes para otras. Las ondas de radio utilizadas para la radiodifusión y otras comunicaciones experimentan el mismo efecto.

El vapor de agua refleja el radar en menor medida que las otras dos fases del agua. En forma de gotas y cristales de hielo, el agua actúa como un prisma, lo que no hace como una molécula individual ; sin embargo, la existencia de vapor de agua en la atmósfera hace que la atmósfera actúe como un prisma gigante. ^[37]

Una comparación de las imágenes del satélite GOES-12 muestra la distribución del vapor de agua atmosférico en relación con los océanos, las nubes y los continentes de la Tierra. El vapor rodea el planeta pero se distribuye de manera desigual. El bucle de imagen de la derecha muestra el promedio mensual del contenido de vapor de agua con las unidades expresadas en centímetros, que es el agua precipitable o la cantidad equivalente de agua que podría producirse si se condensara todo el vapor de agua de la columna. Las cantidades más bajas de vapor de agua (0 centímetros) aparecen en amarillo y las cantidades más altas (6 centímetros) aparecen en azul oscuro. Las áreas de datos faltantes aparecen en tonos de gris. Los mapas se basan en datos recopilados por el espectrorradiómetro de imágenes de resolución moderada(MODIS) en el satélite Aqua de la NASA. El patrón más notable en la serie de tiempo es la influencia de los cambios de temperatura estacionales y la luz solar entrante sobre el vapor de agua. En los trópicos, una banda de aire extremadamente húmedo se tambalea al norte y al sur del ecuador a medida que cambian las estaciones. Esta banda de humedad es parte de la Zona de Convergencia Intertropical, donde los vientos alisios del este de cada hemisferio convergen y producen tormentas y nubes casi diarias. Más lejos del ecuador, las concentraciones de vapor de agua son altas en el hemisferio que experimenta el verano y bajas en el que experimenta el invierno. Otro patrón que aparece en la serie de tiempo es que las cantidades de vapor de agua sobre las áreas terrestres disminuyen más en los meses de invierno que las áreas oceánicas adyacentes. Esto se debe en gran parte a que la temperatura del aire sobre la tierra desciende más en invierno que la temperatura sobre el océano. El vapor de agua se condensa más rápidamente en aire más frío.^[38]

Como el vapor de agua absorbe la luz en el rango espectral visible, su absorción se puede utilizar en aplicaciones espectroscópicas (como DOAS ) para determinar la cantidad de vapor de agua en la atmósfera. Esto se hace operativamente, por ejemplo, desde los espectrómetros GOME en ERS y MetOp . ^[39] Las líneas de absorción de vapor de agua más débiles en el rango espectral azul y más allá del UV hasta su límite de disociación alrededor de 243 nm se basan principalmente en cálculos de mecánica cuántica ^[40] y solo se confirman parcialmente mediante experimentos. ^[41]

Generación de rayos

Ver también: generador de Van de Graaff y agua líquida extraterrestre

El vapor de agua juega un papel clave en la producción de rayos en la atmósfera. Según la física de las nubes , generalmente las nubes son los verdaderos generadores de carga estática que se encuentran en la atmósfera de la Tierra. La capacidad de las nubes para contener cantidades masivas de energía eléctrica está directamente relacionada con la cantidad de vapor de agua presente en el sistema local.

La cantidad de vapor de agua controla directamente la permitividad del aire. En épocas de baja humedad, la descarga estática es rápida y sencilla. Durante las épocas de mayor humedad, se producen menos descargas estáticas. La permitividad y la capacitancia trabajan de la mano para producir las salidas de megavatios de un rayo. ^[42]

Después de que una nube, por ejemplo, ha comenzado su camino para convertirse en un generador de rayos, el vapor de agua atmosférico actúa como una sustancia (o aislante ) que disminuye la capacidad de la nube para descargar su energía eléctrica. Durante un cierto período de tiempo, si la nube continúa generando y almacenando más electricidad estática , la barrera que fue creada por el vapor de agua atmosférico finalmente se romperá a partir de la energía potencial eléctrica almacenada. ^[43] Esta energía se liberará a una región local con carga opuesta, en forma de relámpago. La fuerza de cada descarga está directamente relacionada con la permitividad atmosférica, la capacitancia y la capacidad de generación de carga de la fuente. ^[44]

Extraterrestre

Más información: agua líquida extraterrestre

El vapor de agua es común en el Sistema Solar y, por extensión, en otros sistemas planetarios . Su firma se ha detectado en las atmósferas del Sol, ocurriendo en las manchas solares . Se ha detectado la presencia de vapor de agua en las atmósferas de los siete planetas extraterrestres del sistema solar, la Luna de la Tierra, ^[45] y las lunas de otros planetas, ^{[ ¿cuál? ]} aunque normalmente sólo en pequeñas cantidades.

Cryogeyser en erupción en Europa, la luna de Júpiter (concepto artístico) ^[46]

Ilustración artística de las firmas del agua en atmósferas de exoplanetas detectables por instrumentos como el telescopio espacial Hubble . ^[47]

Se cree que existen formaciones geológicas como los criogeysers en la superficie de varias lunas heladas que expulsan vapor de agua debido al calentamiento de las mareas y pueden indicar la presencia de cantidades sustanciales de agua subterránea. Se han detectado columnas de vapor de agua en la luna Europa de Júpiter y son similares a las columnas de vapor de agua detectadas en Encelado, la luna de Saturno . ^[46] También se han detectado rastros de vapor de agua en la estratosfera de Titán . ^[48] El vapor de agua se ha encontrado que es un constituyente principal de la atmósfera de planeta enano , Ceres , objeto más grande en elcinturón de asteroides ^[49] La detección se realizó utilizando las capacidades del infrarrojo lejano del Observatorio Espacial Herschel . ^[50] El hallazgo es inesperado porque los cometas , no los asteroides , generalmente se considera que "brotan chorros y columnas". Según uno de los científicos, "las líneas se vuelven cada vez más borrosas entre cometas y asteroides". ^[50] Los científicos que estudian Marte plantean la hipótesis de que si el agua se mueve por el planeta, lo hace en forma de vapor. ^[51]

El brillo de las colas de los cometas proviene en gran parte del vapor de agua. Al acercarse al Sol , el hielo muchos cometas transportan sublimes a vapor. Al conocer la distancia de un cometa al sol, los astrónomos pueden deducir el contenido de agua del cometa a partir de su brillo. ^[52]

También se ha confirmado vapor de agua fuera del Sistema Solar. El análisis espectroscópico de HD 209458 b , un planeta extrasolar en la constelación de Pegaso, proporciona la primera evidencia de vapor de agua atmosférico más allá del Sistema Solar. Se descubrió que una estrella llamada CW Leonis tiene un anillo de vastas cantidades de vapor de agua que rodea la estrella masiva y envejecida . Un satélite de la NASA diseñado para estudiar productos químicos en nubes de gas interestelar, hizo el descubrimiento con un espectrómetro a bordo. Lo más probable es que "el vapor de agua se haya evaporado de las superficies de los cometas en órbita". ^[53] También se ha descubierto que HAT-P-11b, un exoplaneta relativamente pequeño, posee vapor de agua. ^[54] Incluso un exoplaneta,k2-18b , se dice que tiene vapor de agua en su atmósfera .

Ver también

• Densidad del aire
• Río atmosférico
• Punto de ebullición
• Condensación en dinámica de aerosoles
• Declaración
• atmósfera terrestre
• Covarianza de remolinos
• Ecuación de estado
• Enfriador evaporativo
• Niebla
• escarcha
• Leyes de los gases
• Energía libre de Gibbs
• Regla de fase de Gibbs
• Gases de efecto invernadero
• Capacidad calorífica
• Calor de vaporización
• Humedad
• Higrómetro
• Gas ideal
• Teoría cinética de los gases
• Calor latente
• Flujo de calor latente
• Radiómetro de microondas
• Fase de la materia
• Densidad de vapor de saturación
• Vapor
• Sublimación
• Recalentamiento
• Sobresaturación
• Termodinámica
• Troposfera
• Presión de vapor

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Referencias

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Bibliografía

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Enlaces externos

• Biblioteca Digital Nacional de Ciencias - Vapor de agua
• Calcula la condensación de tu aliento exhalado
• Mitos del vapor de agua: un breve tutorial
• Vapor de agua AGU en el sistema climático - 1995
• Programa gratuito de Windows, calculadora de conversión de unidades de presión de vapor de agua - PhyMetrix