Experimentos y actividades relacionados con el agua en la atmósfera

Referencias:

 Fácil Para los más chiquitos Complicado Requiere Materiales de laboratorio o instrumental Tiene nota de seguridad

Terrario como modelo del ciclo del agua  

Reproduzcamos el ciclo de agua

El vapor de agua

Temperatura de rocío

Los cambios de estado 

Evaporación

El calor del sol evapora el agua

Verificar que la evaporación es función de la superficie

Evaporación y viento

Condensación - Recolector de humedad

Congelación - ¿Cómo levantar un bloque de hielo con una cuerda?

La temperatura de congelación es función de la presión

Sublimación - El vapor pasa al estado sólido directamente

Núcleos de condensación

La sal atrae al agua

Electrificación de las nubes 

Cargas eléctricas

Resultados que ponen los pelos de punta

Una descarga eléctrica

¿Dónde cayó ese rayo?

Líquido sobreenfriado

Proceso de los cristales de hielo...pero con azúcar 

Llovizna, lluvia o chaparrón

Cómo atrapar un cristal de nieve

Modelo de un cristal de nieve

Reconociendo los distintos tipos de nubes

Formamos una nube

Modelo de cumulunimbus

Sembrando nubes sobreenfriadas

Terrario como modelo del ciclo del agua

Materiales:

Un frasco de vidrio grande, algunas plantas resistentes a la humedad, tierra, arena, pedregullo y trocitos de carbón de leña, un recipiente pequeño de plástico con agua.

Procedimiento

En el frasco de vidrio coloca una capa de pedregullo y carbón de leña. Luego agrégale una capa de arena y finalmente una capa de tierra. Haz unos agujeritos en la tierra para colocar las plantas. Luego cubre estos orificios. Trata de no romper las raíces y cúbrelas muy bien. Coloca el recipiente con agua cerca de las plantas. Tapa el frasco y ponlo en lugar donde haya luz del sol, tratando de que ésta no llegue en forma directa. Observa el terrario durante un mes (sin destaparlo) y verás que las plantas se mantienen vivas.

¿Por qué? Porque el agua del recipiente plástico, así como también la transpiración de las plantas, se evaporan con el calor hasta que el aire en el interior del frasco se satura, lo que produce la condensación en pequeñas gotitas de agua que vuelven a la tierra en forma de precipitación para reiniciar nuevamente el ciclo.

Reproduzcamos el ciclo de agua

Nota de seguridad Haz este experimento bajo la supervisión de un adulto. Puedes quemarte

Materiales:

Terrario, bandeja de metal, soporte, cubitos de hielo, pava, agua, fuente de calor

Procedimiento:

Coloca sobre una mesa un terrario que contenga algunas plantas. A 35 o 40 cm por encima, coloca una bandeja de metal con cubitos de hielo, sostenida por un soporte. Ubica una pava de manera que puesta sobre una fuente de calor, el pico despida vapor entre las plantitas y la cubetera. La pava representa la fuente de agua.

Al cabo de un rato podremos ver que se ha formado una nube en los alrededores del pico. No es vapor sino agua condensada. El agua se evapora al ser calentada por la fuente de calor y sube hasta la bandeja, que representa las capas superiores frías de la atmósfera. Allí la humedad se condensa debajo de la bandeja y se precipita en forma de lluvia sobre las plantitas.

Vemos que las nubes se forman cuando una masa de aire con más temperatura y humedad encuentra aire de menor temperatura y menor humedad, el vapor de agua se condensa sobre las pequeñas partículas en suspensión de la atmósfera y forma una nube.

El vapor de agua

Muchas fueron las teorías que describían el por qué el agua se hacía invisible al evaporarse. En 1666 un sacerdote italiano, en pleno apogeo de la teoría de los cuatro elementos "agua, tierra, aire y fuego", determinó que el vapor de agua consistía en gotas huecas, con fuego en su interior. Es más, había quienes afirmaban haber visto tales gotas. Increíble!!, pero el mismísimo Edmun Halley (por quien lleva su nombre el famoso cometa) aceptaba esta teoría. Fue en 1783, que Henry Cavendish a través de la electrólisis del agua, descubrió que el agua no era un elemento y que estaba formada por hidrógeno y oxígeno.

Nota de seguridad Haz este experimento bajo la supervisión de un adulto. Puedes quemarte

Materiales:

Tetera, agua, vela, cigarrillo

Procedimiento:

Pon a hervir agua en una tetera. Cuando el agua hierve, a cierta distancia del pico, aparece una nube blanca. Sostén una vela en la nube de condensación y la nube desaparecerá. Si un cigarro encendido es introducido, la nube se forma más rápidamente en la parte invisible de la corriente.

El vapor de agua es invisible y no se puede ver cerca del pico de la tetera. A cierta distancia del pico, el vapor de agua se enfría y condensa en forma de una nube blanca. La nube consiste en pequeñas gotitas de agua y ahora sí es visible. El calor de la vela evapora esas gotas y el cigarro provee partículas donde la condensación se hace posible.

El agua se encuentra en la atmósfera en tres estados: sólido (cristales de hielo), líquido (gotas de nube o de lluvia) y gaseoso (vapor de agua). En su fase sólida, las moléculas de agua no pueden vencer su atracción electromagnética y tienden a estar juntas. En la fase líquida la atracción mutua de las moléculas tiende a mantenerlas unidas y en su fase gaseosa las moléculas se mueven tan rápidamente que casi se separan unas de otras.

 

Temperatura de rocío

En la sección de experimentos relacionados con la observación meteorológica, se transcribe este mismo experimento con la finalidad de obtener un instrumento que permita conocer el valor de la temperatura de rocío. Aquí lo repito para que haciéndolo se incorpore el concepto de temperatura o punto de rocío

Materiales:

Lata de gaseosa brillante, termómetro, hielo, hoja de papel de diario, agua

Procedimiento:

Coloca agua y un termómetro en el interior de una lata vacía. Agrégale hielo al agua y agita cuidadosamente. Ahora coloca la lata sobre una página de diario, de manera que lo que está impreso se refleje claramente en la lata. Observa que en el exterior de la lata comienzan a formarse pequeñas gotitas de agua y ya no se ve el reflejo del diario con nitidez. Lee la temperatura en el momento en que se comienzan a formar las gotitas. Este valor será próximo al de la temperatura de rocío.

 

Podemos definir a la temperatura de rocío como la temperatura a la cual una porción dada de aire debe ser enfriado a presión y contenido de vapor de agua constantes de manera que ocurra saturación. Veamos un ejemplo cotidiano...Cuando en invierno estamos en un ambiente calefaccionado y nuestra ventana da al exterior donde el aire está muy frío, en el vidrio disminuye la temperatura. Si lo hace por debajo de la temperatura de rocío, entonces el vapor de agua del aire interior se condensa empañando el vidrio.

Evaporación

Materiales:

Recipiente con agua, tus manos

Procedimiento:

Moja una de tus manos con agua y mantén la otra seca. Nota que la mano húmeda se sentirá más fría. Ahora sopla aire sobre la mano húmeda y notarás que se enfriará aún más.

La transpiración es un mecanismo del cuerpo humano para enfriarse. Durante periodos muy húmedos, la transpiración se evapora tan lentamente que deja de ser eficaz como método de refrigeración corporal, uno siente mucho calor e incomodidad.

El calor del sol evapora el agua

Materiales:

Dos platos, agua, un libro

Procedimiento:

Coloca dos platos iguales en una ventana soleada. Cúbrelos apenas con agua fría. Con un libro hazle sombra a uno de los platos.

Protegida de los rayos solares el agua en el segundo plato se evaporará más lentamente.

Verificar que la evaporación es función de la superficie

Coloca la misma cantidad de agua en tres recipientes cuyas bocas tengan diferentes superficies (pueden ser una botella de gaseosa, una jarra de agua y un plato hondo. ¿De qué recipiente se evapora más agua?

Probablemente te lleve varios días encontrar la respuesta al interrogante ya que el agua se evapora de a poco.

Verás que se evaporará más el agua desde el recipiente de boca más ancha (de mayor superficie).

Evaporación y viento

Haz un charco con agua y marca una línea alrededor. Luego de una hora, vuelve a trazar la línea que rodea el charco. Puedes medir cuánto tarda el charco en secarse. Haz la misma observación un día de mucho viento. Notarás que a mayor velocidad de viento la evaporación es mayor.

Condensación - Recolector de humedad

Materiales:

Vaso de plástico, algunas piedras grandes y pequeñas, hoja de plástico.

Procedimiento:

Haz un pozo de forma cónica en el suelo y coloca un vaso de plástico dentro de él. Cubre el pozo con una hoja de plástico, fijándola al suelo con las piedras grandes (para que no se vuele con el viento). Coloca las piedras más pequeñas en el centro.

A medida que baja la temperatura, el vapor de agua del aire y del suelo se condensa sobre la hoja de plástico y gotea hacia el vaso.

Congelación - ¿Cómo levantar un bloque de hielo con una cuerda?

Materiales:

Cuerda, cubito de hielo, agua, sal

Procedimiento:

Moja una punta de la cuerda, luego coloca ese extremo sobre el cubito de hielo, échale un poco de sal por encima y espera unos minutos. Verás que cuando intentes levantar el cordel, éste se habrá pegado al hielo.

La sal rebaja el punto de congelación del agua y así el hielo se derrite alrededor del extremo del cordel, el hielo al derretirse ha diluido la sal y por lo tanto aumenta el punto de congelación nuevamente, se ha vuelto a congelar el agua que rodeaba al cordel y éste ha quedado sujeto al cubito.

La temperatura de congelación es función de la presión

Materiales:

Dos cubos de hielo, una toalla

Procedimiento:

Presiona los dos cubos de hielo uno contra el otro cubriéndolos con una toalla. Cuando dejes de presionarlos se congelarán unidos.

El punto de fusión decrece con la presión. Cuando presionas el hielo se funde y cuando dejas de presionar el agua vuelve a congelarse uniendo ambos cubos de hielo.

Sublimación - El vapor pasa al estado sólido directamente

Materiales:

Lata de gaseosa o cerveza, termómetros, hielo, sal, palillo.

Procedimiento:

Llena la lata con capas alternadas de hielo y sal. Empuja la mezcla con un palillo mientras llenas la lata. Luego de unos minutos, el exterior de la lata estará a una temperatura por debajo del punto de congelación. Cuando la humedad atmosférica es suficientemente baja, la saturación ocurrirá a temperaturas por debajo de los 0ºC. A la temperatura de congelamiento se formará una capa delicada de hielo (escarcha), por la directa transformación del vapor en hielo. Cuando la humedad es alta, el vapor se condensará primero y luego se congelará (rocío congelado)

Núcleos de condensación

En 1875 Paul Jean Coulier, estudiando la respuesta de la niebla a los cambios de presión en un sistema cerrado, se sorprendió al encontrar que la niebla no se formaba sino hasta que dejaba entrar aire del exterior a su sistema. Llegó a la conclusión que para que se forme la niebla se necesitaba la presencia de polvo o partículas en el aire. Estas partículas se llaman núcleos de condensación.

Los núcleos de condensación más pequeños  (10-7 - 10-5cm) se llaman núcleos de Aitken, en honor a John Aitken, un físico escocés que identificó los tipos más importantes de núcleos de condensación. Los que superan los 10-4 cm se llaman núcleos gigantes.

Nota de seguridad Haz este experimento bajo la supervisión de un adulto.

Materiales:

Botella de vidrio claro transparente, tubo de plástico, tapón, fósforo, agua.

Procedimiento:

Agrega una delgada capa de agua en el interior de la botella y tápala con el tapón (al que previamente hay que atravesarlo con un largo tubo de plástico). Sacude la botella con energía. Coloca el extremo libre del tubo en tu boca y haz ingresar aire a la botella. Luego deja que el aire salga rápidamente. La presión en el interior de la botella disminuirá y permitirá el enfriamiento adiabático del aire. Para una mejor visualización de este proceso, debemos ingresar a la botella núcleos de condensación. Toma una bocanada de aire del interior de la botella y presiona (pellizca) el tubo para que no entre aire. Sostén un fósforo encendido cerca del extremo del tubo, deja de pellizcar el tubo para que entre el humo a la botella. Fuerza al aire de nuevo a ingresar a la botella con tu boca. Verás que ahora la nube formada es más densa debido a las partículas del humo actuando como núcleos de condensación.

Para que una nube o niebla se forme  se necesita

  1. Vapor de agua en el aire
  2. Enfriamiento del aire hasta la saturación
  3. Presencia de núcleos de condensación

En ausencia de núcleos de condensación las nubes para formarse necesitarían humedad relativa por encima del 400%

La sal atrae al agua

Materiales:

Dos recipientes pequeños (platos hondos), agua, sal

Procedimiento:

Coloca agua en el primer recipiente y sal en el otro. Luego de algunas horas verás agua sobre los cristales de sal. El proceso se puede acelerar cubriendo ambos recipientes con un plástico.

La humedad relativa necesaria para el comienzo de la condensación es menor al 100% sobre las gotas formadas por una solución salina. Como resultado, las gotas pueden crecer en condiciones de insaturación.

Se necesitan alrededor de 1 millón de gotas de nube de tamaño promedio para formar una gota de lluvia.

Cargas eléctricas -Electrificación de las nubes

La ruptura de las gotas de agua debido a fuertes corrientes verticales dentro de la nube, produce electrificación. Los fragmentos grandes de las gotas rotas adquieren cargas positivas, mientras que los iones de aire o gotas pequeñas reciben cargas negativas.  El primer científico en investigar la electricidad atmosférica Benjamín Franklin (1706-1790)
¿Sabías que Benjamín Franklin también participó en la Declaración de la Independencia de los EE.UU?

El experimento de Franklin

Fue en 1752. Utilizó una cometa (barrilete) confeccionada con un pañuelo de seda, atada a una cuerda con su extremo cubierto con una cinta aislante. Cuando una tormenta se aproximó, observó que algunas fibras de la cuerda se erizaban. Colocó su nudillo en una llave atada a la cuerda y se produjo una chispa. Fue muy afortunado ya que sostenía la cuerda con un aislante. Otros científicos murieron electrocutados tratando de repetir este experimento. Este descubrimiento fue la base para la invención del pararrayos.

Un dato curioso...

Se cree que cargas negativas en el aire crean sensación de bienestar y felicidad en el ser humano. Los iones negativos del aire están compuestos por oxígeno, mientras que los positivos por CO2. Los iones positivos incrementan la serotonina en el ser humano, eso nos vuelve irritables y nerviosos. Es por ello que en áreas de gran contaminación o en los grandes centros urbanos la gente anda tan malhumorada.

¿Cómo se distribuyen las cargas en las nubes de tormenta? 

Las nubes se electrifican sólo después de una significativa acumulación de cristales de hielo y gotas sobreenfriadas. Típicamente existe una delgada área de cargas negativas en el tope de la nube y una delgada capa de cargas positivas en la base. En la parte media de la nube, donde las moléculas de vapor, las gotas de agua y los cristales de hielo coexisten a temperaturas de alrededor de -15ºC, existe una fuerte área de cargas negativas. Encima de esta área, pero muy por debajo del tope existe otra área de cargas positivas. En el suelo, debajo de la nube, aparecen cargas positivas. Cuando la atracción entre las cargas positivas de la superficie o de otra nube y las cargas negativas de la nube vencen la resistencia del aire, se produce el rayo o el relámpago.

Materiales:

Peine de plástico, fuente de agua, ropa de lana

Procedimiento:

Carga el peine frotándolo por la ropa de lana. Sostén el peine cerca de una débil corriente de agua. El agua será atraída por la carga eléctrica del peine y se curvará hacia él.

Resultados que ponen los pelos en punta

¿Alguna vez recibiste una descarga mientras caminabas en una alfombra o al tocar una llave de luz? Espera un día fresco y seco para aprender acerca de la electricidad estática.

Materiales:

Un día fresco y seco,  2 globos redondos (inflados y atados), 2 piezas de cuerda, un calcetín de lana o acrílico, uno o más espejos, uno o más amigos, tu cuaderno de anotaciones

Procedimiento:

Ata una cuerda a cada globo. Frota un globo en tu cabello por cerca de 15 segundos. Asegúrate de que frotas todo el globo. ¿Qué le sucede a tu cabello? ¿Qué sucede cuando acercas el globo a tu cabello?

Frota el globo en tu cabello otra vez y haz que un amigo (o padre) haga lo mismo con el otro globo. Ahora sostengan los globos con las cuerdas, colgantes y libres, sin dejar que éstos toquen nada. Con cuidado, acerquen los globos uno al otro pero no dejen que se toquen. ¿Qué es lo que ves? ¿Se repelen o se atraen los globos? Pon tu mano entre los dos globos. ¿Qué sucede?

Ponte un calcetín en una mano y frota un globo con el calcetín. Luego deja el globo colgar libremente. Acerca tu mano cubierta con el calcetín al globo. ¿Qué sucede?

Prueba frotar ambos globos con el calcetín y luego colgarlos cerca el uno al otro. ¿Qué sucede ahora?

Busca otros ejemplos de electricidad estática en tu casa.

¿Alguna vez te ha dado una descarga al tocar la perilla de metal de una puerta en un día frío de invierno?
¿Qué sucede a menudo cuando sacas la ropa de la secadora?

Todo material contiene millones de partículas pequeñitas, que se llaman protones y electrones, las cuales tienen cargas eléctricas. Los protones tienen cargas positivas y los electrones negativas. Usualmente se balancean, pero a veces cuando dos superficies se rozan una contra la otra, algunos de los electrones se cambian de una superficie a la otra y así podemos obtener electricidad estática. Materiales con las mismas cargas (todas positivas o todas negativas) se rechazan, aquellos con cargas opuestas se atraen.

Una descarga eléctrica

Materiales:

Plato de metal, masilla, sábana o mantel de polietileno, cinta, objeto de metal.

Procedimiento:

Tiende la sábana o el mantel de polietileno sobre la mesa. Pega la masilla en el medio del plato metálico. Frota el plato a través de la sábana o mantel durante un minuto. Oscurece la habitación y acerca un objeto metálico a 2 ó 3 mm del plato. Verás una chispa.

La carga generada es muy débil por lo que el experimento no es peligroso.

Un rayo consiste generalmente de dos etapas. Una avalancha de cargas negativas desciende de la nube bifurcándose (descarga líder). Avanza a cortos pasos de 1 microsegundo, con pausas de 50 microsegundos.  En 0.02 segundos alcanza el suelo. En ese momento comienza una nueva etapa llamada golpe de retorno. Una intensa ola de cargas positivas fluye hacia arriba desde el suelo en 0.0001 segundos. Esa es la luz que puede verse como rayo calienta el aire por encima de los 30.000ºC  (recuerda que la temperatura de la superficie del sol es de 6.000ºC). Este rápido calentamiento expande el aire y genera el sonido del trueno. 

¿Dónde cayó ese rayo?

Cuenta cuántos segundos transcurren entre el relámpago y el sonido del trueno. Llamaremos a ese valor T

Ahora haz la siguiente cuenta... T * 330 m/seg = distancia a la que ha caído el rayo

La cantidad de segundos entre el relámpago y el trueno, multiplicada por la velocidad del sonido (330 metros por segundo), nos indica la distancia de la descarga.

Líquido sobreenfriado

En 1772, un estudiante sueco reportó a la Real Sociedad de Londres que un día muy frío, al tocar el agua de un contenedor, el agua se congeló instantáneamente. La explicación a este fenómeno llegó 180 años después a través de Alfred Wegener quien hizo dos importantes observaciones: una, que el agua puede ser sobreenfriada (existe agua en estado líquido aún a temperaturas inferiores a los 0ºC), y la segunda, que los cristales de hielo en el aire atraen el vapor de agua, ya que la presión del vapor sobre la superficie del hielo es menor que sobre la superficie del agua. Conectando ambas ideas, concluyó que en presencia de cristales de hielo y gotas de agua al mismo tiempo en la atmósfera, el agua de las gotas se evaporará y el vapor de agua se depositará sobre los cristales de hielo, lo que hará que estos crezcan.

Nota de seguridad Haz este experimento bajo la supervisión de un adulto. Puedes quemarte

Materiales:

Trisulfato de sodio (cristales), vaso, fuente de calor, colador.

Procedimiento:

Llena el vaso hasta la mitad con los cristales de trisulfato de sodio. Calienta el vaso con un baño de agua caliente (baño María) hasta que los cristales se transformen en un líquido transparente. Cuela el líquido para sacarle las impurezas. Cubre el vaso y deja enfriar durante 15 minutos en una habitación con temperatura aproximada de 20ºC. Sacude el vaso y verás que el líquido se congelará. Toca el vaso y verás lo caliente que está.

La temperatura de congelamiento del trisulfato de sodio es 48ºC. A 20ºC estará sobreenfriado. dejando caer un pequeño cristal o sacudiendo el vaso se disparará el proceso de congelación. Durante este proceso el calor latente de congelación será liberado y calentará el vaso.

Proceso de los cristales de hielo...pero con azúcar 

La teoría de Bergeron-Findeisen describe el proceso de formación de nubes a través del crecimiento de los cristales de hielo. Para ello se necesita la presencia de núcleos de congelación que permitan la congelación del agua sobreenfriada y a partir de allí continúe el crecimiento por medio de la evaporación del agua y el depósito del vapor sobre los cristales de hielo.

Materiales:

Azúcar, agua, hielo, sal, vaso

Procedimiento:

Coloca una solución saturada de azúcar y agua dentro del vaso. Sobreenfría el vaso en un baño de hielo y sal. Rasguña un poco de hielo de uno de los cubitos para que los pedacitos caigan en la solución de azúcar. Verás que se forman grandes cristales de azúcar en la superficie.

Los trozos de cubitos hacen las veces de núcleos de congelación, sobre los cuales comienza el crecimiento de los cristales (en este caso de azúcar)

¿Sabías que el granizo se forma por un proceso llamado acreción?. Este tipo de precipitación se origina en las nubes de tormenta (cumulunimbus) cuando los cristales de hielo son alternativamente alcanzados por corrientes verticales ascendentes y descendentes, y enviados hacia capas de aire más calientes o más frías. Debido a la fusión y resolidificación el granizo crece, colectando capas de hielo tras capa de hielo hasta que se vuelve lo suficientemente pesado como para caer a la superficie. Puedes conocer la historia de una simple piedra de granizo haciendo un corte y detectando capas concéntricas de hielo claro (debido al congelamiento lento) o hielo blanco (debido al congelamiento rápido que atrapa burbujas de aire) Granizos humanos - En 1930 cinco pilotos germanos perdieron el control de su aeronave en el interior de una nube de tormenta, por lo que se lanzaron en paracaídas. Inmediatamente, fuertes corrientes ascendentes los llevaron a regiones con temperaturas muy por debajo de los 0ºC, cayendo luego debido a corrientes de descenso sólo para ser ascendidos y recongelados nuevamente. Finalmente llegaron a la superficie convertidos en verdaderos granizos humanos. Sólo uno de ellos sobrevivió para contar esta terrible experiencia.
¿Con qué velocidad caen las gotas? Cuando las gotas caen encuentran resistencia en el aire debido a la fricción. Esta fuerza de fricción  se compensa con la fuerza de gravedad y las gotas caen con una velocidad constante llamada velocidad terminal. Esta velocidad es función del diámetro de la gota. Si las gotas no son lo suficientemente grandes se evaporan antes de llegar al suelo. Este tipo de precipitación que no llega al suelo se denomina virga.
Tipo Diámetro de la gota (cm) Velocidad terminal (m/s) Distancia hasta evaporarse completamente (m)
Núcleo de condensación 0.00002 0.0000001 --
Gota de nube típica 0.002 0.001 1
Gota de nube grande 0.01 0.27 25
LLovizna 0.1 4.0 400
Gota de lluvia pequeña 0.2 6.5 650
Gota de lluvia grande 0.5 9.0 910

Llovizna, lluvia o chaparrón

Materiales:

Hojas grandes de papel absorbente liso, días lluviosos.

Procedimiento:

Coloca el papel afuera, expuesto a una llovizna leve durante cinco segundos. Señala rápidamente las marcas húmedas dejadas por las gotitas. Haz lo mismo un día de lluvia o de chaparrón fuerte. Compara los resultados.

Las gotas de la llovizna son más pequeñas, pero de mayor densidad que las gotas de lluvia. Las gotas de lluvia en un chaparrón son muchísimo más grandes.

¿De qué tipos de nubes podemos esperar lluvias, lloviznas, granizo, etc.? Entérate

Hidrometeoros Altostratus Nimbostratus Estratocumulus Stratus Cumulus Cumulonimbus
Lluvia * * *      
Llovizna       *    
Nieve * * *     *
Nieve granulada     *     *
Hielo granulado * *       *
Prismas de hielo       *    
Granizos           *
Chaparrones         * (desde torrecumulus) *

Cómo atrapar un cristal de nieve

Materiales:

Solución 1 a 3% de formal de polivinilo en dicloruro de etileno (ver nota de seguridad), portaobjetos, una nevada.

Importante!!!: Este es un método acertado y tradicional para encapsular los copos de nieve con resultados excelentes, pero desafortunadamente la técnica no es recomendable. El etileno como dicloruro (1.2 - dicloruro de etileno) se clasifica como Tóxico/Muy tóxico y con sospechas de ser un agente carcinógeno. Los datos de seguridad para estos productos químicos deben proporcionarlos los proveedores, así como las precauciones apropiadas para tomar antes de su uso.

 Procedimiento:

Este no es un método nuevo, fue desarrollado hace más de 50 años por Vincent J. Schaeffer (1951). Prepara una solución del 1% de formal polivinilo en dicloruro de etileno. Mantén la solución en un frasco pequeño a temperaturas bajo cero. Sumerge un portaobjetos en la solución preparada por unos 30 segundos. Debes exponer el portaobjetos a la nevada de manera tal de capturar algún copo de nieve sobre el portaobjetos. El copo comenzará a sumergirse en esa solución. Debe mantenerse a temperaturas por debajo del nivel de congelación hasta que el solvente se evapore.  El cristal queda atrapado en una película plástica y conservará su estructura. Tendrás reproducciones permanentes de copos de nieve.

Agujas

     

Dendritas

Fotografías de James Benko

Columna

Modelo de un cristal de nieve

Mira estas figuras...

¿Podrías decirme cuáles de estas estructuras representan posibles cristales de nieve?

Sí!! Las primeras tres.  La razón es que esas son la únicas figuras con simetría hexagonal. Es decir que si giramos la figura 1/6 (como si fuera una rueda), terminamos con una nueva orientación que no se puede diferenciar de la posición inicial. El cuarto dibujo tiene simetría  octogonal y el quinto simetría pentagonal. Los cristales de nieve crecen formando figuras con formas infinitas e irrepetibles, pero siempre hexagonales. El naturalista americano Wilson Bentley (1865-1931) fotografió y examinó más de 5000 cristales de nieve y no llegó a encontrar dos iguales.

Las formas complicadas de muchos cristales de nieve se deben a sus procesos de crecimiento. Bajo condiciones de crecimiento rápido forman abundantes ramificaciones (dendritas). Con condiciones de crecimiento más lento, toman formas más simples.

De acuerdo a la temperatura en el interior de la nube podemos encontrar diferentes tipos de cristales de nieve, tal como se aprecia en la figura de la izquierda.

¿Por qué son hexagonales? Para responder esta pregunta deberíamos "ver" cómo se enlazan los átomos de oxígeno e hidrógeno para formar un cristal de hielo. Los átomos de oxígeno está representados con bolitas rojas y los de hidrógeno con bolitas azules más pequeñas. Los enlaces se dibujaron con líneas blancas. Los átomos de hidrógeno forman con el átomo de oxígeno un ángulo de 105º. Va formándose así una red hexagonal en forma de colmena. En el agua líquida,  las moléculas de agua se encuentran más calientes y por eso se mueven más libremente. Esta es la razón de que el agua en estado líquido no tenga forma propia. Cuando el agua se congela, las fuerzas de interacción entre las moléculas de agua, le ganan a las fuerzas derivadas del movimiento térmico y forman un conjunto rígido, en un estado más estable (de menor energía) con simetría hexagonal.

Reconociendo los distintos tipos de nubes

¿Serías capaz de reconocer los distintos tipos de nubes observando el cielo?. Puedes hacer la prueba

Es importante que en principio reconozcas las tres formas principales: 

Cirriformes:  Forma de plumero o velo de color blanco y aspecto fibroso. Son nubes altas y están formadas por cristales de hielo. 

Cumuliformes: Son esas nubes que tienen forma de coliflor. De evolución vertical, con la base plana y aspecto de algodón. De color blanco y aspecto denso.

Estratiformes: Son aquellas en las que no podemos divisar cuerpos individuales. Aparecen en forma de capas grises que cubren uniformemente el cielo. 

Formamos una nube

Nota de seguridad Haz este experimento bajo la supervisión de un adulto. Puedes quemarte

Materiales:

Un frasco de vidrio grande, una pequeña bandeja para horno, un poco de hielo

Procedimiento:

Coloca en el frasco un poco de agua caliente. Coloca algunos cubos de hielo en la bandeja. Pon la bandeja sobre el frasco.

El aire del interior del frasco se eleva y es enfriado por el hielo. El vapor de agua que contiene condensa y forma gotitas. Ya tienes tu nube.

De otra manera...

También puedes formar tu nube utilizando una botella transparente con tapa, agua caliente, un clavo y un martillo. Debes hacer un agujero en el tapón. Enjuaga la botella con agua caliente y tápala, sopla todo el aire que puedas por el agujero hacia el interior de la botella y cuando no puedas más, tapa el agujero con un dedo y luego saca el tapón rápidamente. El vapor de agua se condensa y se forma la nube.

Cuando soplas dentro de la botella la llenas de aire caliente y húmedo de tus pulmones con un temperatura y presión más alta que la del aire. Al destapar de golpe la botella, el vapor de agua hace contacto con el aire más frío (se produce una expansión adiabática) y se condensa, haciéndose visibles las gotitas de agua.

Modelo de cumulunimbus

Nota de seguridad Haz este experimento bajo la supervisión de un adulto. Puedes quemarte.

Materiales:

Vaso de vidrio, pajilla, agua, leche, vela

Procedimiento

Llena el vaso con agua fría. Deja reposar el agua. Lentamente agrega leche fría con una pajilla o sorbete en el fondo del vaso hasta hacer una capa de unos 2 cm de espesor. Coloca el vaso sobre una vela encendida y observa cómo se forma la "nube".

Con este experimento podemos visualizar las corrientes térmicas ascendentes que son las que análogamente en el aire producen las nubes de tipo cumuliformes. Las nubes cumulunimbus  producen tormentas eléctricas y fuertes precipitaciones.

Sembrando nubes sobreenfriadas

Materiales:

Dos latas de metal (que quepa una dentro de la otra y quede un espacio entre ambas), hielo, sal, termómetro, material aislante, cartón grueso, hielo seco (Nota de seguridad!! la temperatura de congelación del CO2 es -70ºC por lo tanto no puedes tomarlo con las manos desnudas), tenazas.

Procedimiento:

Construye una cámara de refrigeración ¿Cómo? De la siguiente manera...Coloca una lata dentro de la otra y llena el espacio que queda entre ambas con una mezcla en proporción de 3:1 de trozos de hielo y sal. Rodea esta cámara con una gruesa capa de material aislante y tápala con un cartón grueso, hasta que la temperatura dentro de la lata interior descienda por debajo de los -15ºC.  Ya está la cámara de refrigeración. Ahora respira dentro de la cámara para producir una niebla sobreenfriada. Si sostenemos con unas tenazas un pequeño trozo de hielo seco sobre la niebla y raspamos con un objeto afilado para que parte de ese hielo caiga dentro de la niebla, verás una densa estela de condensación formarse en ella.

El agua sobreenfriada se evaporará y el vapor se depositará en los cristales de hielo. Este principio se utiliza en la siembra de nubes para producir el crecimiento de los cristales de hielo y provocar así una "precipitación artificial". Estas nubes se siembran con hielo seco o con ioduro de plata que tiene una estructura similar a la del hielo.

Datos interesantes relacionados con el agua en la atmósfera y las precipitaciones:
  • Si todo el vapor de agua de la atmósfera fuera condensado artificialmente, cubriría la tierra una capa de 2cm de agua líquida.
  • La máxima precipitación en 24 horas se produjo en la Isla Reunión el 15 de marzo de 1952 y fue de 1870 mm.
  • La máxima precipitación en un año fue en Cherrapunji (India) en 1861 fue de 24.461 mm
  • La mayor nevada se registró en el Mt. Shasta (California, EE.UU.) entre el 13 y el 19 de febrero de 1959 cayeron 48 cm de nieve
  • El lugar más lluvioso del mundo es el Monte Waialeale (Hawaii), donde llueve 350 días por año
  • El lugar más seco del mundo es el desierto de Atacama (Chile), donde llovió en 1971 por primera vez en 400 años.
  • Los paraguas aparecieron en Europa  en el siglo XVI, se usaron primeramente para protegerse del sol. Fue a partir del siglo XVIII que empezaron a usarse para protegerse de la lluvia.