Introducció

Es tractarà aquí dels fenòmens naturals associats amb el cicle de l'aigua. Per exemple, la pedregada de la mida d’ous de gallina de la tarda del 13 d’agost de 2022 a Amer. Es parlarà del que passa dins un cumulonimbus congestus. De quins factors intervenen en la formació d’un fenomen tempestuós extrem... De la física de l’aigua i els seus canvis d’estat.

El cicle de l’aigua

La relació de l'aigua a la hidrosfera s’explica amb el cicle de l’aigua. S’anomena hidrosfera la capa de la Terra que conté tota l’aigua del planeta, en la forma que sigui —superficial, soterrada, a l’interior de les roques o el magma— i del seu estat —líquid, gas o sòlid, com la neu o el gel—. Aigua interconnectada que flueix i configura el cicle hidrològic, sense principi ni fi, de vegades molt lent i poc aparent.

Els processos relacionats amb el cicle de l’aigua són:

• Evaporació. Quan l’aigua passa de líquid a gas (vapor d’aigua). La principal font són els oceans, on l’escalfor del sol evapora la massa d’aigua. En el cas de les cobertes vegetals, es dona com evapotranspiració, i, en el cas dels animals, com sudoració.
• Sublimació. Quan l’aigua passa d’estat sòlid a gas directament, sense passar per l’estat líquid.
• Condensació. Quan l’aigua passa d’estat gasós a líquid. Es dona principalment en els núvols, boires i rosades.
• Precipitació. En forma de pluja, neu o calamarsada, depenent les condicions de temperatura i pressió que es trobi l’aigua prèviament condensada.
• Infiltració. Aigua que flueix del terra i, mitjançant els porus que conté el terreny, va baixant i circulant per l’interior del sòl. Pot donar lloc a la formació d’aqüífers, les formacions geològiques de roca porosa que emmagatzemen aigua. L’aigua més superficial pot relacionar-se amb la vegetació i evaporar-se de nou, reiniciant el cicle.
• Escolament superficial. Aigua líquida que llisca, a favor del pendent, formant rierols en episodis de pluja intensa.
• Rosada. Condensació d’aigua en superfícies fredes o en la vegetació.

Els diagrames de fase. Canvis d’estat de l’aigua.

Un diagrama de fase és la representació gràfica de les fronteres entre diferents estats d'agregació de la matèria d'un sistema, en funció de variables triades per a facilitar-ne l'estudi. És usat en termodinàmica i ciència de materials. Quan en una d'aquestes representacions totes les fases corresponen a estats d'agregació diferents se sol denominar diagrama de canvi d'estat.

En ciència de materials s'utilitzen àmpliament els diagrames de fase binaris, mentre que en termodinàmica s'empren sobretot els diagrames de fase d'una substància pura. En un sistema amb un component que pot existir en tres fases, el diagrama es fa sobre un gràfic Pressió (P)-Temperatura (T). En ell es representen les zones de cada fase (sòlida, líquida o gas) separades per línies on coexisteixen dues fases e equilibri.

En general, la zona d’alta pressió i baixa temperatura correspon a l’estat sòlid. La de baixa pressió i alta temperatura a l’estat gasós. Els líquids es situen a la zona intermèdia i, a elevades pressions i temperatures es situa la zona supercrítica.

Existeixen, a més, dos punts singulars. En el punt triple coexisteixen les tres fases i en el punt crític desapareix la distinció entre líquid i gas i comença la zona del fluid supercrític.

El diagrama de fases de la dreta es correspon a l’aigua. A la pressió d’1 atm (línia vermella) l’aigua passa de sòlid a líquid a 0°C i a 100 ºC passa de líquid a gas. Tanmateix, si la pressió fos inferior (per exemple a l’alta muntanya) el gel es fondria a una temperatura superior a 0°C i l’aigua líquida bulliria a una temperatura inferior a 100°C. Estrenyent-se la fase líquida.

En el cas de l’aigua, el punt triple es troba a 0.01°C i 0,00604 atm. La pressió més baixa a la que pot existir aigua líquida. Por sota d’aquesta pressió, el gel és en equilibri amb el vapor i al augmentar la temperatura no es fon sinó que sublima directament a vapor.

Observis que la línia sòlid-líquid és inclinada cap a l’esquerra ^[1]. Això es deu a que, a mesura que augmenta la pressió, la temperatura de fusió del gel disminueix. Per exemple, a 200 atm el gel fon a -1,6 ºC. L’estat sòlid és més lleuger que l’estat líquid.

Pot existir aigua líquida o vapor a la Lluna?

La pressió en la superfície de la Lluna és inferior a la del punt triple de l’aigua, per tant, no pot haver aigua líquida, però sí gel ^[2]. Al escalfar-se, el gel sublima i, posteriorment, les molècules de vapor d’aigua són trencades per la radiació solar.

Conceptes bàsics de termodinàmica

Entalpia

L’entalpia (H) mesura la quantitat d’energia acumulada en una substància. La seva variació mostra la quantitat d’energia guanyada o perduda en un sistema termodinàmic, és a dir, la proporció d’energia transferida en l’entorn. S’expressa en Joules i 1 Joule = 0.238846 calories.

Es calcula amb la fórmula: H = U + pV

on: H = entalpia, U = energia interna, p = pressió del sistema i V = volum del sistema.

Les variacions d’entalpia expressen, en definitiva, la quantitat de calor que un sistema termodinàmic perd o guanya durant un procés isobàric (a pressió constant).

Diagrama Ph

El diagrama Ph o diagrama de Mollier per pressió entalpia, és la representació gràfica en una gràfic semi-logarítmic en el pla pressió/entalpia dels estats possibles d'un compost químic, com el vapor d’aigua ^[3].

Permet visualitzar i analitzar les propietats termodinàmiques del vapor d’aigua, facilitant-ne la comprensió dels processos d’escalfament, refredament i expansió.

En el cas de l’aigua tenim els diagrames següents, l’explicació dels quals és fora de l’abast d’aquest treball:

Font: Rachael L. Baumann, "Pressure-Enthalpy Diagram for Water",  Wolfram Demonstrations Project,  November 24, 2015.

Entropia

L’entropia (S)mesura la part no utilitzable de l’energia total d’un sistema termodinàmic. La part de l’energia que no és útil per a produir un treball. Mesura també el desordre d’un sistema termodinàmic i descriu la irreversibilitat dels processos termodinàmics.

Per exemple, quan es col·loca un glaçó de gel en un got d’aigua, desprès d’un temps, s’equilibrarà la fase líquida amb la fase sòlida arribant a un nou equilibri tèrmic. El gel s’escalfa i l’aigua es refreda. L’energia es distribuirà uniformement, maximitzant-ne l’entropia possible i sent impossible tornar a l’estat termodinàmic anterior. Així, l’entropia total haurà augmentat, donat que el gel era en un estat més ordenat que l’aigua.

El diagrama temperatura-entropia o diagrama T-S, s’utilitza en termodinàmica per visualitzar canvis de temperatura i entropia específica durant un procés termodinàmic o cicle. És una eina útil i comuna que ajuda a visualitzar la transferència de calor durant un procés. Per a processos reversibles (ideals), l’àrea sota la corba T-S d’un procés és el calor transferit al sistema durant el procés ^[4].

En el cas de l’aigua tenim els diagrames següents, l’explicació dels quals és fora de l’abast d’aquest treball:

Font: Adam J. Johnston, "Temperature-Entropy Diagram for Water",  Wolfram Demonstrations Project,  November 24, 2015.

La formació d’una gota d’aigua. Els núvols.

Una definició de núvol podria ser la següent: "Conjunt de gotes d’aigua molt petites, cristalls de gel, o una mescla d’ambdós, té la seva base per sobre de la superfície terrestre i que resulta apreciable des de el lloc d’observació. El diàmetre restrictiu de la partícula líquida es de l’ordre de 200 μm (0.2 mm). Les gotes més grans conformen el plugim o la pluja".

Amb l’excepció de certs tipus poc freqüents ^[5] (per exemple, núvols nacrats i noctilucents) i l’aparició ocasional de cirrus en la baixa estratosfera, els nubes es troben únicament en la troposfera. Es formen principalment com a resultat de la condensació de vapor d’aigua en nuclis de condensació en l’atmosfera.

El pas d'una gota del núvol a una gota de pluja no és fàcil. El xoc de les partícules aquoses dels núvols no sempre comporten la seva unió, sinó la seva polvorització (dispersió).

Sobre una partícula d’aerosol d’uns 0.1 μm es formen nuclis de condensació d’uns 0.2 μm de mitjana. Els nuclis de condensació són partícules molt petites de substàncies higroscòpiques —que absorbeixen la humitat— que, gracies a la seva composició química, afavoreixen els processos atmosfèrics de condensació, sublimació i congelació. Posteriorment es formen gotes en suspensió, de fins a 20 μm de diàmetre, que arribaran a formar una gota d’aigua de pluja d’uns 2000 μm (2 mm) de diàmetre.

Els processos (no excloents) per a la formació de les gotes de pluja són:

• El procés de col·lisió. El xoc de les gotes dels núvols, la seva coalescència i l'arrossegament, que realitzen quan comencen a caure.
• El procés de Bergeron-Findeisen. Només té lloc en núvols mixtos (com els cumulonimbus, per exemple) on coexisteixen cristalls de gel i gotes líquides en subfusió (amb temperatures negatives però líquides). Aquestes gotes líquides s'evaporen i es sublimen sobre els cristalls de gel, augmentant la mida d'aquests.

La formació de núvols es produeix durant el desplaçament vertical d’aire que té lloc per convecció (els núvols convectius —principalment cumulus i cumulonimbus—), per l’ascens forçat sobre sòl elevat (els núvols orogràfics), o pel desplaçament vertical a gran escala associat amb depressions i fronts (els núvols frontals).

Vegem-ho en un vídeo divulgatiu del Servei Meteorològic de Catalunya: "Els núvols".

La precipitació. En l’interior d’un núvol.

Dins un núvol, en particular en els núvols de tempesta, es donen diferències importants de pressió i de temperatura, ocasionats per la ràpida circulació d'aire calent (ascendent) o fred (descendent). És a dir, des del punt de vista termodinàmic, es donen ràpidament grans variacions d’entalpia i d’entropia.

La precipitació

En un núvol l’aigua és normalment en forma de petites partícules inestables d’uns 10 μm de diàmetre. Partícules en suspensió amb una tendència entròpica a la dispersió més gran que la força gravitatòria que les faria precipitar. Quan les partícules, —d’aigua líquida, neu o gel— es condensen i augmenten la seva mida fins a més de 100 μm de diàmetre, la força gravitatòria augmenta i es dona la seva precipitació.

La condensació en el núvol és per nucleació heterogènia sobre partícules d’uns 0.1 μm, de diàmetre que creixen lentament per agregació difusiva —condensació de més vapor d’aigua sobre les gotetes o petits cristalls— fins la mida típica dels 10 μm de diàmetre, quan comença la segregació gravitatòria.

Tot el procés precisa d’un moviment intern de l’aire dins el núvol que provoqui un moviment de xoc entre les partícules i creixin per coalescència, el mecanisme d’acreció principal per a mides per sobre dels 20 µm, quan la partícula més gran absorbeix la més petita ^[6]. La presència de camps elèctrics afavoreix la coalescència, el que provoca que la pluja sigui més intensa quan hi ha tempestes elèctriques.

Si la precipitació és lleugera i les capes d’aire sota el núvol són molt calentes i amb baixa humitat, la precipitació pot evaporar-se abans de toca terra —formant-se una virga—.

La distribució estadística de mides de les partícules en precipitació, es mesura —òptica o acústicament— amb el disdròmetre i s’aproxima matemàticament amb una funció exponencial decreixent, la distribució de Marshall-Palmer (1948), o la fórmula més general de Carlton W. Ulbrich (1983).

La pràctica totalitat dels fenòmens de precipitació es produeixen per ascensos de masses d’aire. Més de la meitat comencen en fase sòlida —nucleació i creixement de petits cristalls de gel—. En tots els casos, la velocitat ascendent dels corrents d’aire ha de ser superior a la velocitat terminal de les partícules ^[7], per tal de mantenir-les creixent en suspensió. Les gotes de diàmetre major de 4 mm no mantenen l’esfericitat, s’aplanen per sota i es trenquen ^[8]. Per mantenir en suspensió boles de pedra o calamarsa de de 20 mm de diàmetre calen velocitats ascendents de 300 km/h.

La inestabilitat atmosfèrica vertical és imprescindible per tal de que hi hagi precipitació.

Els núvols solen venir de lluny, transportats pel vent. Menys del 15% dels núvols sobre un cercle de 500 km de diàmetre —com la Península Ibèrica— s’han format dins la seva superfície. I la precipitació requereix temps per l’agregació de les partícules. Tanmateix, a les zones tropicals, amb molta humitat i intensa inestabilitat vertical, es poden formar núvols i precipitar abundantment en menys de mitja hora.

Neu, pedra i calamarsa. Formació de gel.

Per formar-se pedra són necessaris forts corrents de convecció inestables amb una capa intermèdia de gotetes d’aigua líquida sub-refredada que augmenten progressivament de diàmetre a mida que les oscil·lacions verticals de l’aire les fan passar un i altre cop per la banda sub-refredada i la forta convecció —força ascensional— impedeix que caiguin fins assolir una mida prou gran.

La formació de gel pot ser deguda a la congelació d’aigua ja formada o a la condensació directa del vapor d’aigua en gel.

En l’atmosfera, lluny de superfícies sòlides, i en absència de nuclis de condensació (atmosfera neta), l’aire humit pot romandre en equilibri meta-estable sobresaturat per sota de la seva temperatura de condensació, i les gotetes d’aigua poden mantenir-se líquides fins uns −40°C (aigua sub-refredada).

El pas des de la temperatura de l’aigua sub-refredada fins la temperatura d’equilibri sòlid-líquid (0°C) es quasi instantani. No es dona per transmissió de calor, sinó per la deposició volumètrica de l’entalpia de fusió. Per cada gram que congela s’alliberen 334 J (h_SL = 334 kJ/kg), energia suficient per pujar la temperatura del gram de gel h_SL/c_S = 334/2 = 167°C (on c_S = 2 kJ/(kg·K) és la capacitat tèrmica del gel).

En realitat no congela tota l’aigua sub-refredada sinó la suficient per a escalfar tota la massa fins als 0°C i equilibrar cinètica del canvi de fase ^[9]. Un cop formats, els petits cristalls de gel creixen per deposició de vapor, per acreció de gotes o per col·lisió i adhesió d’altres cristalls fins a mides precipitables, de neu (en condicions més estables ^[10]) o pedra.

Inicialment, els cristalls de gel tenen estructures dendrítiques quasi planes de cristalls hexagonals transparents, l’acreció irregular fe que els flocs de neu siguin tridimensionals i molt porosos (fins densitats de tan sols 150 kg/m3) que dispersen la llum i apareixen com de color blanc i opacs. Com els cristalls de gel dispersen més la llum que les gotetes, es habitual un canvi de lluminositat en les cortines de precipitació sota els núvols, amb una zona més fosca, des de la base fins a uns 300 m, i una zona més clara de pluja fins el sòl.

La cota de neu és l’altitud a la que es calcula que hi ha aquesta transició de fase, la qual s’estima en meteorologia a partir de les dades del sondeig vertical (normalment, a partir de les temperatures a 85 kPa i 50 kPa).

La pedra, en canvi, té estructura esfèrica, amb capes quasi transparents (per la congelació d’aigua sub-refredada) i capes blanquinoses (per deposició en sec de gel). Amb densitats de fins a 917 kg/m3). Com ja s’ha comentat abans, es necessiten forts corrents ascendents, que únicament es donen en els grans núvols de desenvolupament vertical (els cumulonimbus).

A latituds mitjanes, es formen habitualment durant les tempestes d’estiu. A partir del solstici el sòl s’escalfa força mentre que en alçada l’atmosfera és encara freda. L’aire calent ascendeix, al ser més lleuger, i quan arriba en alçada a uns −15°C es pot formar pedra ^[11]. Les pedregades fortes fan molt de mal a les collites.

La influència humana en les precipitacions

Els intents de controlar artificialment les precipitacions no ha assolit massa èxit fins al moment. Es va començar l’any 1946 llençant neu carbònica sobre un núvol per provocar neu artificial. Posteriorment s’ha utilitzat iodur de plata —d’estructura cristal·lina semblant a la del gel— afegint-hi, de vegades, cetona i sodi. Els resultats han estat sempre molt pobres.

El que és fora de tot dubte és la influència humana per la seva activitat agrícola o industrial, que han provocat l’emergència climàtica actual i la contaminació de la precipitació al dissoldre l’aigua de la pluja els gasos de les emissions antròpiques —formant-se la coneguda pluja àcida—.

Distribució general de les precipitacions a la Terra

En general, les precipitacions sobre la Terra tenen una clara distribució zonal (Isidoro Martínez Herranz (2010) Termodinámica de la atmósfera).

Amb pluges molt intenses prop de l’Equador, bandes subtropicals d’escassa precipitació, bandes de precipitació moderada en latituds mitjanes, i escasses precipitacions polars (<100 mm/any a l’Antàrtida). Les pluges augmenten en les zones litorals i amb l’altitud creixent.

La precipitació total sobre el planeta és de 505·10¹² m³ (80%, 400·10¹² m³, sobre els oceans, i un 20% sobre els continents, 105·10¹² m³). La precipitació mitjana sobre la superfície del planeta (510·10¹² m²) és doncs: 505·10¹²/510·10¹² = 990 mm/any (1100 mm/any sobre els oceans i 770 mm/anys sobre els continents).

Las regions amb precipitació >750 mm/any s’anomenen humides, les de entre 300 i 750 mm/any s’anomenen seques, i les de precipitació <300 mm/any s’anomenen desèrtiques. Aproximadament el 50% de les terres emergides poden considerar-se humides (selves i boscos), un 30% àrides (deserts i estepes), un 10% d’alta muntanya i l’altre 10% de glaceres. Els màxims pluviomètrics es produeixen en zones d’elevada altitud. També plou més on més vegetació hi ha. L’evapotranspiració vegetal pot contribuir en fins al 50% del contingut d’aigua en l’aire.

Les tempestes

Les tempestes es donen habitualment en primavera, estiu i la primera part de la tardor. Una tempesta passa sempre per tres etapes fonamentals a partir d’un entorn meteorològic favorable. S’inicien principalment per convecció, l’escalfament de l’aire a nivell del terra genera corrents d’aire càlid ascendents (convectives): les nomenades tèrmiques.

Malauradament, com a conseqüència de l’emergència climàtica, les tempestes seran cada cop més intenses i destructives en el futur proper.

Fase de cúmul en desenvolupament

Si l’aire càlid ascendent arriba al nivell de condensació, es comença a formar un Cumulus humilis (un petit cúmul). Si aquest segueix creixent en vertical —quan l’aire que es troba al ascendir és més fred del normal, és a dir: hi ha inestabilitat atmosfèrica— es forma un Cumulus mediocris, iniciant-se aquí la fase turmentosa.

Els corrents ascendents tenen velocitats de l’ordre dels 15 m/s (aprox. 50 km/h) en la part central del cúmul, on es situa la isoterma dels 0°C. Hi ha turbulència atmosfèrica, amb corrents ascendents en tot el núvol.

La fase es dona entre 15 i 30 minuts, condensant gran quantitat de vapor d’aigua en petites gotes que augmenten ràpidament de volum, formant-se nombroses protuberàncies en el contorn del núvol, que acaba convertint-se en un Cumulus congestus ^[12].

La part superior és blanca per la gran quantitat de cristalls de gel. Es forma pedra, en coexistència amb gotes d’aigua sub-refredada que, quan la força convectiva és incapaç de mantenir-los en suspensió, precipiten i s’inicia la fase següent.

Fase de maduresa

A l’interior de núvol coexisteixen corrents d’aire ascendents i descendents, guanyant protagonisme aquests últims. La precipitació dins el núvol arrossega aire molt fred cap als nivells intermedis i inferiors. Refredant-se encara més pels processos d’evaporació durant el seu llarg recorregut, que absorbeixen calor de l’entorn.

De manera que, quan trenca la tempesta hi ha una baixada apreciable de la temperatura i es generen violentes ràfegues d’aire per l’impacte de l’aire fred contra el terra ^[13].

Aquesta fase dura entre 20 i 30 minuts. El Cumulus congestus arriba a la tropopausa —i, de vegades la supera—. El núvol passa a ser un Cumulonimbus calvus —que sovint evoluciona a un incus, amb la característica enclusa—. El diàmetre de la cèl·lula tempestuosa és màxim, de fins a 200 km².

En aquesta fase hi ha fortes precipitacions, sovint amb pedra o calamarsa, amb activitat elèctrica i turbulència perillosa.

Fase de dissipació

Aquesta fase, amb una durada d’uns 30 minuts, marca el final de la convecció. El núvol deixa de créixer en vertical. L’aire descendent domina i el cúmul va desfent-se progressivament en un petit núvol estratiforme.

Freqüentment, l’enclusa desplega una qua de cirrus (Cumulonimbus incus capillatus), pels forts vents de la tropopausa. La tempesta entra en la fase final. Al principi de la fase la tempesta encara és però força perillosa. Manté l’activitat elèctrica, amb precipitació intensa que va progressivament a menys.

La Terra com a super sistema. Variables del cicle hidrològic.

A la imatge de l’esquerra es mostra la Zona de Convergència Intertropical (ZCIT). La zona nuvolosa situada en la línia de l’Equador.

Edward Norton Lorenz (1917- 2008) va ser un matemàtic i meteoròleg estatunidenc, que va desenvolupar teories innovadores sobre la rotació de fluids amb importants contribucions a la comprensió de les dinàmiques atmosfèriques i les prediccions meteorològiques. Va desenvolupar també la teoria del caos, plantejant-hi l’efecte papallona ^[14].

En un estudi publicat a la revista 'Nature Climate Change' s’afirma que no totes les parts dels tròpics es veuran afectades per igual pel canvi climàtic. Per exemple, el cinturó de pluja es mourà cap al nord en parts de l’hemisferi oriental, però cap al sud en àrees de l’hemisferi occidental. El desplaçament del cinturó de pluges tropicals serà desigual.

Es pronostiquen sequeres en el sud-est d’Àfrica, Madagascar i Amèrica Central, i una intensificació de les pluges al sud de l’Índia.

"El nostre treball mostra que el canvio climàtic farà que la posició del cinturó de pluja tropical de la Terra es mogui en direccions oposades en dos sectors longitudinals que abasten quasi dos terços del planeta, un procés que tindrà efectes en cascada sobre la disponibilitat d’aigua i la producció d’aliments en tot el món", explica l’autor principal, Antonios Mamalakis.

La predicció es fa sobre l’examen de simulacions per ordenador de 27 models climàtics d’última generació i mesurant la resposta del cinturó de pluja tropical en un escenari futur en el que les emissions de gasos d’efecte hivernacle continuen augmentant fins a finals del segle XXI.

El canvi climàtic provoca que l’atmosfera s’escalfi de diferent manera a Àsia i a l’Oceà Atlàntic Nord.

"A Àsia, les reduccions projectades en les emissions d’aerosols, la fusió de les glaceres a l’Himàlaia i la pèrdua de la capa de neu en les àrees del nord provocada pel canvi climàtic faran que l’atmosfera s’escalfi més ràpid que en altres regions (···). Sabem que el cinturó de pluja es desplaça cap aquest escalfament i que el seu moviment cap al nord en l’hemisferi oriental és consistent amb els impactes esperats del canvi climàtic".

És probable que el debilitament de la Corrent del Golf i la formació d’aigües profundes en l’Atlàntic Nord tinguin l’efecte contrari, provocant un desplaçament cap al sud en el cinturó de pluja tropical en tot l’hemisferi occidental.

"La complexitat del sistema de la Terra és aclaparadora, amb dependències i cicles de retroalimentació en molts processos i escales (···)". S’han de traduir aquests canvis en impactes sobre el terreny, en termes d’inundacions, sequeres, infraestructura i canvis en l’ecosistema per tal de guiar-ne l’adaptació, les polítiques i la gestió.

Variables que influeixen en el cicle hidrològic

Les principals variables amb influència sobre el cicle hidrològic són:

L’augment de temperatura; l’augment dels gasos d'efecte hivernacle i els aerosols; l'efecte albedo; l’efecte de Coriolis; la circulació atmosfèrica; l’ evaporació dels oceans; i l’evapotranspiració vegetal.

Augment de la temperatura global. L’efecte hivernacle i els aerosols.

La temperatura mitjana de la Terra ha anat augmentant progressivament des de l’any 1880. Augment degut a l’emissió de gasos d’efecte hivernacle i d’aerosols. L’augment de la temperatura global es fa evident per molts indicadors climàtics. Per exemple el nombre d’episodis d’onades de calor.

L’any 2022, Catalunya va viure successius episodis d'onades de calor, on la primera encara era primavera. La causa va ser la persistència d'una falca anticiclònica (molta calor i sense pluges) acompanyada d'una massa d'aire tropical molt càlida als nivells més baixos de la troposfera. A Barcelona, el nombre de nits càlides (T_min ≥ 20°C), nits tropicals (T_min ≥ 25°C) i nits tòrrides (T_min ≥ 30°C) augmenta any rere any. L'estiu de l'any 2023 ha estat el més càlid des de que hi ha registres.

El mapa de l’esquerra mostra les anomalies globals de temperatura del mes de juliol de 2023, segons l’anàlisis GISTEMP dels investigadors de l’Institut Goddard d’Estudis Espacials de la NASA. Les anomalies de temperatura reflexen la comparació de juliol de 2023 amb la temperatura mitjana del mes entre 1951 i 1980. El mes de juliol de 2023 ha estat el més càlid mai registrat fins al moment.

La imatge de la dreta és un diagrama esquemàtic dels efectes atmosfèrics dels aerosols absorbents sobre la capa de mescla (PBL, Planetary Boundary Layer) la inversió de temperatura i la convecció: (a) sense i (b) amb presència d'aerosols absorbents a la PBL superior. Les línies blaves amb guions o sòlides corresponen als perfils de temperatura verticals en absència i presència de la capa d'aerosol absorbent, respectivament, i les línies vermelles sòlides i discontinues denoten les condicions adiabàtiques seques i humides, respectivament. Es mostren les ubicacions del nivell de condensació per convecció (CCL) ^[15]. Les àrees amb nivells més alts i més baixos d'energia potencial convectiva disponible es mostren amb els signes verds més i menys, respectivament. Copia de Y. Wang et al. [2013]. S’observa que els aerosols, de diferents orígens, absorbeixen calor i augmenten la temperatura de la troposfera, potenciant la generació de grans tempestes.

També els oceans són cada cop més càlids, com s’observa al següent gràfic de la NOAA. Al gràfic de la dreta (Martín Vide, 1999 ^[16]) s’observa que hi ha molta més precipitació als oceans que als continents. L’esquema representa els fluxos hidrològics mitjans anuals en el sistema superfície terrestre-atmosfera (a partir de CHOW, V.T. (1975): Hydrologic cycle. Encyclopaedia Brittanica, 15 ed., 9, pp. 102-125). Els valores són percentatges de la precipitació global mitjana anual, que és d’uns 1040 mm.

El mapa següent ens mostra els corrents oceànics (la circulació termohalina). Es mostren els corrents superficials d’aigua càlida, en color vermell, (Corrent del Golf, Corrent del Niño, Corrent del Brasil,...) i els corrents profunds d’aigua freda, en color blau, (Corrent del Labrador, Corrent de Humboldt,...). Els corrents d’aigua càlida provoquen més evaporació i, per tant, més precipitació. El contrari es dona en els corrents d’aigua freda. Per exemple, el desert més sec del planeta és el Desert d’Atacama, a Xile, paral·lel al corrent de Humboldt.

Efecte albedo

Observem la fotografia del Montaut (2016 m), al massís d’Iseye (Occitània), colgat de Neu el desembre del 2019. La superfície blanca reflexa gran part de l’energia de la llum solar. És l’efecte albedo. Amb el canvi climàtic es van perdent progressivament les superfícies reflectants, amb un albedo elevat (proper a 0.9). La superfície del planeta s’escalfa així, en un cercle viciós, cada cop més, a mesura que es van desfent les glaceres. El retrocés de les glaceres es pot apreciar clarament al Pirineu en les següents fotografies de Jordi Camins. Les fotografies són preses des de la mateixa perspectiva i en la mateixa època de l’any, amb uns quants anys de diferència.

De continuar així, pràcticament totes les glaceres del Pirineu hauran desaparegut cap a l’any 2050.

L’efecte Coriolis i la circulació atmosfèrica

L’efecte Coriolis apareix sempre que hi ha una translació de qualsevol cos respecte a una rotació, per exemple la rotació de la Terra.

L’efecte es percep, per exemple, al observar la rotació d’una depressió atmosfèrica (aire ascendent) que ho farà en el sentit de les agulles del rellotge en l’hemisferi sud i en sentit antihorari en l’hemisferi nord, per la força de Coriolis i el gradient de pressió.

En el cas dels anticiclons (aire descendent), el gir serà en el sentit contrari respectivament.

Anticiclons (altes) i davallades (baixes)

L’aire calent i humit, en superfície, ascendeix rotant en espiral —per l’efecte de Coriolis— donat que augmenta de volum i per tant es fa més lleuger. S’ocasiona així un buit o zona de baixa pressió en superfície, un cicló, baixa, davallada o borrasca. En alçada, l’aire calent i humit es refreda i condensa, podent provocar precipitació i es forma una zona d’alta pressió.

El vent en alçada transporta l’aire refredat i sec fins que descendeix de nou, provocant una zona de baixa pressió en alçada i d’alta pressió en superfície, un anticicló o alta.

En superfície, entre la zona d’alta pressió (A) i la de baixa pressió (B) es dona la circulació de l’aire en forma de vent. El vent circula sempre des de zones d’alta pressió cap a zones de baixa pressió, fins arribar a un equilibri.

Model cel·lular de la circulació atmosfèrica. Els vents constants.

La combinació de les diferents pressions atmosfèriques provocades a diferents latituds per efecte de la diferent irradiació solar provoca l’aparició de vents constants en superfície, en un sentit o altre, segons l’hemisferi, per l’efecte de Coriolis.

Es divideix la Terra en cèl·lules de circulació tancada, segons la latitud: 0°, 30° i 50°. Formant-se cinturons alterns de baixes i altes pressions.

Per exemple, la zona de convergència intertropical (baixes pressions) i l’alta subtropical o cresta subtropical propera al paral·lel 30° (altes pressions). La cèl·lula de Hadley transporta la calor de l’equador fins la cresta subtropical.

L’aire calent ascendeix a l’equador, es va refredant i descendeix en la cresta subtropical, causant els vents alisis i els vents de ponent. Altres cèl·lules són la subtropical i la polar.

Els vents alisis van sempre en direcció a l'Equador i transporten aire fresc i humitat. Potencien la formació de núvols en la franja equatorial i les tempestes de la zona intertropical.

L’evapotranspiració vegetal

El manteniment de la coberta vegetal és molt important per tal de mantenir un flux hídric correcte. Les masses de núvols sobre la selva amazònica contenen més aigua que el propi Amazones.

L’any 2003, el científic brasiler Antonio D. Nobre va popularitzar el terme "rius voladors" per definir les masses d’aigua que circulen en els núvols de pluja sobre Sud-Amèrica i va investigar el complex paper de la selva tropical en la regulació del clima. Va observar que mentre que, a la mateixa latitud, a Àfrica i a Austràlia hi ha grans deserts, no hi són a Sud-Amèrica. I es va preguntar com és l’únic lloc del Món on els vents de l’hemisferi nord poden creuar la línia de l’equador.

Segons Nobre l’explicació és en la idea de la "bomba biòtica", teoria desenvolupada pels físics russos Anastassia Makarieva i Víctor Gorshkov. Els boscos generen una pressió negativa que atreu l’aire humit cap a l’interior amb una gran força d’absorció i pluges garantides. El procés en la selva amazònica seria, esquemàticament, el següent (figura de la dreta):

1. Intensa evaporació, a la franja equatorial de l’Oceà Atlàntic, que carrega d’humitat els vents alisis.
2. La gran evapotranspiració i condensació amazònica succiona els alisis bombejant-los a l’interior del continent, movent els rius voladors i provocant pluges.
3. La humitat avança cap als Andes. El vapor és re-circulat al passar sobre el bosc.
4. Quan la humitat arriba a la Serralada dels Andes, precipita en part de nou i forma la capçalera dels rius amazònics.
5. La humitat retorna en part al Brasil pels rius voladors i precipita en altres regions.
6. En la fase final, els rius voladors, encara poden alimentar els reservoris d’aigua agua del Sud-Est i del Sud del Brasil, dispersant-se posteriorment al Paraguai i l’Argentina.

Observem-ho en el vídeo: "Ríos voladores amazónicos: una visión para el futuro", de la Fundació Gaia Amazones.

Fenomens recents a Catalunya

El cicló extra-tropical Glòria (gener del 2020)

La tempesta Glòria ^[17] va ser un cicló extra-tropical de llarg recorregut a l’Atlàntic Nord. Va afectar el nord dels EEUU i el Canadà oriental, així com la Península Ibèrica, desprès de travessar tot l’Oceà Atlàntic en tres dies, durant el seu pas per Europa.

Aquesta mena de ciclons guanyen molta força en contacte amb aigua de l’oceà. El Glòria va perdre força al travessar la Península Ibèrica però es va reactivar moltíssim quan va tocar el mar Mediterrani.

El cicló va provocar nombrosos estralls al litoral mediterrani. Inundant milers d’hectàrees de camps d’arròs i destruint platges. Grans nevades varen afectar milers d’alumnes en varies regions. A Girona, uns 300 veïns van ser desallotjats d’una urbanització a Massanes per la crescuda del riu Tordera, que va derivar dos ponts entre Blanes i Palafolls. Més de 200 carreteres van ser afectades pel temporal, 34 tancades a Cataluña, sis a la Comunitat Valenciana i dues a les Baleares.

La borrasca Glòria va deixar precipitacions que duplicaven o triplicaven les pluges acumulades de mitjana en tot un mes de gener.

Les mànegues a Barcelona (05/11/2021)

L’espectacular fotografia d’Enric Navarrete (Esquerra) ens mostra la mànega marina del 5 de novembre de 2021 a Barcelona, a l’alçada de Badalona-Sant Adrià de Besós. La imatge de la dreta és d’Oriol Rodríguez.

Una mànega marina es va mantenir estàtica durant força estona davant del litoral central. Els llamps varen permetre veure-la des de Barcelona. Vegem-ho en un vídeo de @pilinya, penjat a BETEVÉ: "Mànega a Badalona."

Una mànega marina es genera en cinc fases:

1. Taca fosca. Es forma una mena de disc fosc, quasi negre, sobre la superfície de l’aigua. Sobre la taca hi ha una columna d’aire, amb o sense un petit núvol amb forma d’embut.
2. Espiral. Es van formant bandes espirals al voltant de la taca fosca, alternant colors més clars i més foscos.
3. Anell d’escuma. Sobre la taca fosca es comença a formar una mena de remolí d’escuma a partir de l’aigua que s’aixeca pel vent. Al mateix temps s’inicia el desenvolupament vertical de l’embut o tuba.
4. Maduresa. L’anell format d’escuma i la tuba assoleixen la màxima alçada, longitud i diàmetre.
5. Dissipació. Habitualment de forma sobtada, al deixar de complir-se les condicions necessàries, sovint pels corrents descendents d’aire fred o perquè la manega toca terra i perd energia.

La pedregada a La Bisbal (30/08/2022)

Veiem dues fotografies de la pedregada de La Bisbal, el dia 30 d’agost de 2022. Segons Meteocat, les pedres caigudes, d’uns deu centímetres de diàmetre de mitjana, van ser les més grosses catalogades des del 2002. Segons el propi Meteocat, la tempesta que va provocar la pedregada va arribar a tenir 20 quilòmetres d’altura, un fet molt infreqüent a les nostres latituds. La pedregada va ocasionar nombrosos danys materials en teulades i vehicles. L’estiu del 2022 va ser prolífic en pedregades des de finals de juliol i durant el mes d’agost.

L’huracà Danielle (segona setmana de setembre del 2022)

El 5 de setembre de 2022 l’huracà Danielle es trasllada per l’Atlàntic en direcció nord-est a velocitat lenta (120 km/h) després de recuperar la categoria d’huracà. S’especula si tocarà o no la Península Ibèrica i es creu que es dirigirà cap a les Illes Britàniques.

L’huracà es va iniciar com un cicló tropical format a l’oest de les illes Açores, més al nord del que és habitual. La majoria dels ciclons que acaben convertint-se en huracà s’originen en latituds baixes, a l’entorn de Cap Verd o propers al Golf de Mèxic.

El 8 de setembre l’AEMET indica que es dirigeix cap a la Península Ibèrica, debilitant-se abans de tocar terra, en forma de borrasca profunda. L’11 de setembre toca terra i causa diverses tempestes i danys de no massa consideració. La imatge de METEOCAT de la dreta es correspon a les seves restes, el dia 13 de setembre.

Les quatre mànegues al mar balear (17/09/2022)

El 17 de setembre de 2022 es varen formar quatre mànegues (fiblons) simultànies al mar Balear (i gairebé una cinquena) al sud-est de l’illa de Mallorca.

Vegem-ho en un vídeo emès per TV3: "Quatre mànegues simultànies al mar balear."

La sequera (2020-2023)

Entre el 19 i el 23 de gener de 2020 el temporal Glòria va afectar Catalunya i hi va deixar el darrer gran episodi de pluges abundants i generals que hi ha hagut, que va omplir fins pràcticament al 100% els pantans catalans (694.45 Hm3).

Tot just dues setmanes abans el govern havia aprovat el pla especial de sequera (PES), un instrument pensat per pautar i sistematitzar els passos a seguir per controlar, prevenir i combatre els episodis d’escassetat d’aigua, a més de donar més agilitat administrativa a les mesures, ja que fins llavors calia redactar decrets puntuals cada cop que es donaven aquests casos, sense criteris clars ni homogenis.

Pocs pensàvem, després d’aquell temporal, que el PES hauria de ser utilitzat tan aviat, amb tanta assiduïtat i tanta contundència per lluitar contra la severa sequera que ha vingut després, en què encara està plenament immersa el país. Segons el Departament d’Acció Climàtica, de fet, és la segona més intensa que ha patit Catalunya en els darrers 70 anys, només superada per la que es va allargar entre el 2005 i el 2008.

Des de l’any 2020 fins agost/2023 es prenen les següents mesures:

• 8-1-2020. Aprovació del Pla Especial de Sequera (PES) per part de l'ACA.
• 5-10-2021. Primera activació del PES: declaració de l'Alerta per sequera a la Unitat de l’aquilífer Carme-Capellades.
• 28-10-2021. Declaració d'Alerta per sequera a l’aqüífer Muga-Fluvià.
• 21-1-2022. Declaració de la Pre-alerta per sequera al sistema Ter-Llobregat i activació de les dues dessaladores (30%).
• Febrer 2022. Increment de la producció d'aigua dessalinitzada al 85%.
• 26-7-2022. Declaració d'alerta per sequera a la capçalera del Ter i el mig Llobregat, i també a l'Anoia-Galà.
• Agost 2022. Increment de la dessalinització al 100%.
• 26-8-2022. Declaració d'Alerta per sequera a les unitats de l'Empordà, Banyoles, Serralada Transversal i Prades-Llaberia.
• 26-10-202. Segona declaració d'Alerta per sequera del Muga Fluvià.
• 25-11-2022. Declaració d'Alerta per sequera al sistema Ter-Llobregat (ja són 13 unitats d'explotació en Alerta).
• 17-1-2023. Inici impulsió aigua regenerada al Llobregat per a ús pre-potable.
• 28-2-2023. Aprovació per part del govern del Decret Llei de mesures excepcionals per la sequera.
• 29-2-2023. Declaració de l'Excepcionalitat al sistema Ter-Llobregat pel Consell d'Administració de l'ACA.
• 6-3-2023. Entrada en vigor de l'escenari d'Excepcionalitat al sistema Ter-Llobregat (publicació al DOGC).
• 9-3-2023. El president Pere Aragonés anuncia la celebració de la Cimera de l'Aigua.
• 13-3-2023. Transferència Aigua Sau-Susqueda. S'engega el dispositiu per preservar la qualitat de l'aigua de la conca del riu Ter per a 5.000.000 de persones.
• 31-3-2023. Se celebra la cimera contra la sequera, i tot i acabar sense acord, el govern es compromet a tirar endavant totes les mesures ja acordades durant la negociació prèvia.
• 12-4-2023. Anunci d'acceleració de les obres d'ampliació de la potabilitzadora del Besòs.
• 4-5-2023. Aprovació al Parlament de la Llei de Mesures Extraordinàries per fer front a la sequera.
• 16-5-2023. El govern aprova el Pla de gestió de l'aigua de les conques internes, amb una inversió superior als 2.400 milions d'euros.
• 25-5-2023. La consellera Meritxell Serret reclama des de Brussel·les "polítiques europees" que ajudin a "fer front a les conseqüències de la crisi climàtica"
• 20-6-2023. El govern impulsa una línia d'ajuts de 50 milions per reparar les fuites i millorar l'eficiència de les xarxes de subministrament municipals.
• 21-6-2023. Es fan públiques, per primera vegada a Catalunya, les dades de consum dels ajuntaments, un dels compromisos adquirits pel govern a la Cimera de l'Aigua.
• 26-6-2023. Es constitueix la Taula Nacional de l'Aigua (TNA).
• 2-8-2023. Declaració d'Emergència per part de l'ACA, per primer cop a Catalunya, 224 municipis: 22 d'ells que depenen de l’aqüífer del Fluvià Muga i dos d'ells de l'embassament de Riudecanyes.

Episodi de pluges intenses (26-27 d’agost de 2023)

L’onada de calor de finals d'agost del 2023, una de les més intenses que s’han registrat a Catalunya, s'acaba de manera abrupta el cap de setmana del 26 i 27 d’agost, amb pluja extensa acompanyada de tempesta, pedregades, una baixada dràstica de la temperatura, vent i neu a cotes altes del Pirineu.

L’estimació de la pluja acumulada entre el dissabte 26 i el diumenge 27 d’agost, obtinguda mitjançant la combinació del camp de precipitació vist per la Xarxa de Radars de Catalunya (XRAD) i els pluviòmetres de la Xarxa d’Estacions Meteorològiques Automàtiques (XEMA), mostra els màxims de més de 100 mm a la vall de Camprodon (est del Ripollès) i al sud de l’Aran, així com mar endins. En canvi, la pluja va ser inferior als 10 mm al terç oest de Catalunya i fins i tot inferior a 1 mm a diversos sectors de Ponent ^[18].

La sequera s'agreuja

Ni les pluges anteriors ni les dels messos posteriors no milloren la situació, que va empitjorant progressivament.

La situació de la sequera s'agreuja a Catalunya davant la manca de pluges. Les reserves d'aigua continuen marcant mínims històrics. L'1 de febrer del 2024, la Comissió Interdepartamental de Sequera, convocada de manera extraordinària, declara l'emergència per la sequera en tots els municipis que pertanyen al sistema Ter-Llobregat. El pla de sequera comporta noves restriccions en un total de 202 municipis, entre els quals s'inclouen Barcelona, els municipis de l'àrea metropolitana i Girona. Afectant gairebé 6 milions de persones.

Fonts consultades

• Paredes Tavares, Jorge; Nubes. Formación i clasificación (uaemex.mx)
• Martínez, Isidoro; Termodinámica de la atmósfera (upm.es)
• Viñas, José Miguel; El ciclo vital de las tormentas (meteored.com)
• Michael P. Byrne et al.; Response of the Intertropical Convergence Zone to Climate Change: Location, Width, and Strength; Climate Change and Atmospheric Circulation (R Chadwick, Section Editor); Open Access; Published: 09 August 2018 volume 4, pages355–370 (2018)
• Antonios Mamalakis et al.; Zonally contrasting shifts of the tropical rain belt in response to climate change; Nature Climate Change volume 11, pages143–151 (2021)
• Martín Vide, Javier (1999) Fundamentos de la Climatología Analítica. Editorial Síntesis. Madrid

Jordi Coll Vera - 2023