La Física en las aceras durante el invierno
Estos días de invierno, y en este febrero loco, hemos visto en TV y en las redes sociales muchas personas caminando por aceras: unas veces nevadas, otras heladas, otras muchas salpicadas por sal y otras limpias. Ocurren fenómenos físico-meteorológicos en nuestras aceras, pero no nos damos cuenta de ellos.
Lo primero que hemos visto muchos de nosotros son las aceras “saladas” y secas, en prevención de lo que pudiera ocurrir. Muchos operarios municipales han vertido sal gorda (sal común) sobre las aceras de muchas poblaciones, incluso sin haber nevado o llovido, pero con temperaturas muy frías más vale prevenir. La sal se veía a simple vista sobre el pavimento.
Al verter sal en zonas nevadas, heladas o simplemente limpias lo que se persigue es que la mezcla potencial (hielo, agua y cloruro sódico) baje la temperatura de congelación a valores negativos y de esta forma evitar placas de hielos indeseadas. Es lo que los físicos llaman descenso crioscópico del soluto (sal) sobre el disolvente (agua).
Pero además de bajar el punto de congelación, sobre las simples aceras ocurren ciertos procesos energéticos y, más concretamente, intercambios de energía y calor. Veámos algunos.
Las aceras como centros de intercambio de energía
En la naturaleza los intercambios de energía y calor se realizan mediante varios procesos: advección, conducción, convección y radiación. La situación de nevadas, lluvia y frío han tenido al agua y al aire frío como protagonistas totales. Los cambios de fase del agua (líquido, sólido o gaseoso) han ocurrido delante de nuestras narices y eso también conlleva un intercambio de energía.
Si nos centramos en la advección, esto hace referencia al “transporte” del aire de una masa determinada de un lugar a otros. Durante estos días de febrero de 2018 hemos tenido “advecciones” o llegada de masas de aire frío, unas veces polar, otras veces ártica y otras de tipo continental. La advección nos ha traído muy bajas temperaturas.
La conducción mueve y transfiere energía por contacto físico. Si apoyamos nuestra mano en una pared fría rápidamente percibimos el frío. Lo mismo ocurre si la fuente es caliente. El suelo frío nocturno de las aceras o de las montañas ha enfriado a la nieve o al agua caída sobre él por conducción, acompañado por el aire frío advectado.
La convección es el resultado del transporte de energía por ascensos y descensos de fluido, en este caso del aire. El aire caliente asciende rodeado por aire frío y transporta e intercambia energía al ascender. Por el contrario el aire muy frío desciende por convección y produce un intercambio de energía con el medio ambiente.
Las descargas frías de tipo ártica y polar marítima llevan asociadas en el océano cúmulos y cumulonimbos realzados bien desarrollados, que se ven en las imágenes de satélites. Zonas costeras se han visto afectadas por chubascos de lluvia, granizo e, incluso, de nieve por las nubes convectivas.
Los procesos radiactivos transfieren calor a toda la atmósfera, tierra, mar y al espacio
La radiación puede ser absorbida, reflejada o transmitida. El sol calienta el suelo por radiación, que a su vez calienta al aire cercano a la superficie. Por la noche la radiación solar desaparece, y el suelo (de las aceras) se enfría, enfriando el aire de capas muy bajas.
En el caso de hielo en una acera, suponiendo que la acera no ha sido salada y no hay viento, los mecanismos importantes de intercambio de energía son la conducción y la radiación. El hielo, la nieve o el agua están intercambiando energía con la acera por radiación y el aire a su alrededor por conducción.
Si la atmósfera está por debajo del punto de congelación, esto no hará que el hielo se derrita. Si es de noche y la acera está debajo de los cero grados, tampoco se deshará. Pero durante el día, la historia podría ser diferente.
Si el sol brilla sobre el hielo, parte de esa energía solar es absorbida. El hielo es transparente a longitudes de onda visibles, la energía a la que nuestros ojos son sensibles. Pero el sol emite radiación en otras longitudes de onda que el agua absorberá y, por tanto, aumentará su ganancia de energía. Si estas ganancias exceden las pérdidas de energía, el hielo o la nieve se calentarán. Si alcanza el punto de fusión, el hielo comenzará a derretirse en la acera.
El sol también puede agregar energía y calentar la acera, aumentando su temperatura por encima de la congelación. Esto calentará el hielo a través de la conducción y conducirá a su fusión. Si la acera se ha salado, el hielo puede absorber la sal, lo que reduce su punto de congelación y puede conducir a la fusión.
Muchos procesos físicos y meteorológicos ocurren alrededor nuestra pero no nos damos cuenta de ello. Todos son importantes para mantener la vida en la Tierra y este mes de febrero de 2018, como otros meses, lo hemos tenido tan cerca que lo hemos sufrido sin saberlo. Y no hemos hablado de los cambios de fase del agua (sólida, líquida y gaseosa) donde las transferencias de calor y de energía están presentes. Otra vez será.