¿Qué es el vapor de agua y cómo se forma?
El vapor de agua es el agua (H2O) en estado gaseoso. Se obtiene por evaporación o ebullición del agua líquida o por sublimación del agua en estado sólido (hielo). A un nivel molecular esto sucede cuando las moléculas de H2O logran liberarse de las uniones que las mantienen juntas.
En el agua en estado líquido, las moléculas de H2O se separan y unen constantemente. No obstante, al calentarlas, las uniones entre las moléculas comienzan a romperse más rápido de lo que pueden formarse. Eventualmente, cuando se administra suficiente calor, algunas moléculas se romperán libremente. Estas moléculas «libres» forman el gas transparente que conocemos como vapor, o más concretamente, vapor seco.
El proceso se acelera al aumentar la temperatura, ya que se requiere energía para la ruptura de los enlaces de hidrógeno que unen a las moléculas de agua en estado líquido. Cuanto más baja sea la temperatura, más se ralentiza la evaporación.
La ebullición del agua es un proceso físico en el que ésta pasa de estado líquido a gaseoso como consecuencia a la exposición del calor intenso de forma prolongada. La temperatura de ebullición del agua es de 100 grados. Es en estas temperaturas donde el agua comienza a hervir. Sin embargo, el agua no tiene que está hirviendo para que exista vapor de agua.
Una vez que el líquido alcanza su punto de ebullición, sigue absorbiendo el calor para transformarse en vapor, pero sin que aumente su temperatura. Se transformará en vapor hasta que se consuma íntegramente la masa líquida.
El proceso inverso, es decir, cuando el vapor de agua se convierte en agua líquida, se conoce como condensación. El vapor de agua solo se condensará sobre otra superficie cuando su temperatura (la de la superficie) sea inferior a la del punto de rocío, o cuando se haya excedido el equilibrio del vapor de agua en el aire. La condensación de vapor en una superficie implica el calentamiento neto de esa superficie.
Este gas es importante de cara al ciclo hidrológico, a la formación de vida y al efecto invernadero.
Propiedades del vapor de agua
El vapor de agua es incoloro e inodoro, aunque suele adquirir una apariencia blanca y turbia cuando se intercalan con pequeñas gotas de agua que se encuentran en estado líquido (vapor húmedo). La visibilidad puede verse reducida con el vapor de agua según su densidad y el lugar donde se encuentre.
Vapor de agua en la atmósfera
El vapor de agua es uno de los gases presentes de forma natural en la atmósfera. Aparece en niveles traza, con concentraciones muy variables tanto en tiempo como en espacio. Es el principal gas de efecto invernadero en la Tierra, aunque, a diferencia de otros (CO2, NOX, CH4, etc.), no es contaminante ni contribuye a una intensificación del efecto invernadero. Esto se debe a su corta permanencia en la atmósfera.
Más del 99% del agua en la atmósfera está en forma de vapor y, aunque no sea tan visible como las formas sólidas o líquidas (nubes, lluvia, nieve, granizo, etc.), está siempre presente en la atmósfera (en mayor o menor medida). La gran mayoría (> 99%) de este vapor de agua atmosférico se encuentra en la troposfera, y normalmente, alrededor del 50% del total aparece por debajo de los 2000 metros.
Si todo el vapor de agua en la atmósfera se condensara al mismo tiempo y cayera, su volumen cubriría la Tierra con una capa de 25 milímetros (mm) de profundidad, en promedio.
Dado que el vapor de agua no está distribuido homogéneamente en la atmósfera, podemos considerar que en el ecuador la profundidad de la capa sería de unos 50 mm, mientras en los polos sería de alrededor de 2,5 mm.
No obstante, la precipitación anual promedio global es de unos 1000 mm, lo cual implica que el agua precipitable debe recircularse unas 40 veces a lo largo del año. Esto se consigue gracias al ciclo hidrológico.
La cantidad de vapor de agua presente en el aire es la humedad. Hay que diferenciar entre la humedad absoluta y la humedad relativa del aire.
La humedad absoluta es la cantidad de vapor de agua contenido en el aire, y se expresa en g/m3.
La humedad relativa es la relación entre la cantidad de vapor de agua que contiene el aire y la máxima cantidad de vapor de agua posible a una determinada temperatura. A mayor temperatura, mayor cantidad de vapor de agua puede contener la atmósfera. Se mide en porcentaje, de forma que un valor del 100% indica que el aire está saturado de vapor de agua, que condensa en forma de nubes, niebla, rocío o escarcha.
El higrómetro es el instrumento que se utiliza para medir la humedad relativa del aire, la cual va a depender de factores como el régimen de precipitaciones de una zona, la dirección del viento o la temperatura.
Distribución del vapor de agua atmosférico
El contenido de vapor de agua en la atmósfera no es homogéneo en todo el planeta, y va a depender mayoritariamente del clima, aunque a “grosso modo” se dice que la concentración de vapor de agua en la atmósfera puede ser de hasta un 4%.
Las mayores concentraciones de vapor de agua en la atmósfera se tienen donde se produce una mayor evaporación, esto es, sobre los océanos, y especialmente, en la zona intertropical. Por el contrario, la menor cantidad de vapor de agua suele tenerse en las zonas interiores desérticas.
El agua que se transporta en la atmósfera está muy ligada a la circulación atmosférica y a los patrones de temperatura. Su distribución no es uniforme ni a nivel vertical ni horizontal. Frente a las zonas húmedas y lluviosas presentes en latitudes ecuatoriales y latitudes medias, tenemos las zonas de desiertos, con altas temperaturas y humedades relativas menores a 20%, ubicadas en latitudes subtropicales.
En el plano temporal, la distribución del vapor de agua presenta variaciones a todas las escalas (desde segundos a décadas).
Las variaciones a menor escala temporal son debidas a la turbulencia en la capa de aire más superficial, y está relacionada con el viento y la evaporación. Las nubes trasladadas por los vientos son otra forma de redistribución de vapor. Hay patrones estacionales, así como brisas de mar a tierra (aumenta la humedad en tierra) y de tierra a mar (disminuye la humedad en tierra) que ocurren a lo largo del día en zonas costeras.
Por último, hay eventos de una mayor periodicidad en los que entran en juego otros factores a mayor escala. Un ejemplo de ello lo tenemos con el fenómeno de El Niño-Oscilación del Sur, que se presenta cada 4-7 años. Este fenómeno provoca una alteración del acoplamiento océano-atmósfera en términos de zonas de evaporación y precipitación, gracias al desplazamiento de masas de agua de alta temperatura en el océano Pacífico. El resultado es una modificación temporal de los patrones de humedad y lluvias en distintas áreas del planeta.
Saturación del aire y presión de vapor
El aire en determinadas condiciones de presión y temperatura es capaz de incorporar una cierta concentración máxima de vapor de agua. Cuando este límite se sobrepasa, el exceso de vapor de agua se condensa, formando agua líquida. Se dice entonces que el aire está saturado.
Cuanto mayor sea la temperatura del aire, más contenido de moléculas de vapor de agua puede admitir antes de llegar a la saturación.
Además del concepto ya mencionado de humedad relativa, existe otra forma de expresar el contenido de vapor de agua en el aire: la presión de vapor. Ésta se define como la presión parcial de las moléculas de vapor de agua en el aire (hPa). Sumada a las presiones parciales de todos los gases que componen el aire, tendríamos la presión del aire.
En un determinado volumen de aire, si aumenta la concentración de moléculas de vapor de agua, la presión de vapor será mayor. Cuando los encontramos en aire saturado a una determinada temperatura (100% de humedad relativa), hablamos de presión de vapor saturante. Ésta aumenta exponencialmente con la temperatura.
Por tanto, los diferentes valores de presión de vapor saturante representan el máximo contenido de agua en estado vapor que puede contener el aire a las diferentes temperaturas.
Importancia del vapor de agua atmosférico
El agua es imprescindible para la vida terrestre tal y como la conocemos. Su presencia en la atmósfera en forma de vapor es clave para regular la temperatura del planeta gracias a su efecto invernadero, y también en el desarrollo del ciclo hidrológico.
- Papel como gas de efecto invernadero
El vapor de agua es el gas natural de efecto invernadero más importante en la atmósfera, tanto por su cantidad como por su capacidad de absorción de la radiación terrestre. Sin embargo, su permanencia en ella es mucho menor que la de otros gases contaminantes, haciéndolo menos nocivo para el planeta.
El efecto invernadero es el efecto que producen ciertas sustancias presentes en la atmósfera por el cual absorben parte de la radiación infrarroja emitida desde la superficie, provocando un aumento de la temperatura. Se produce de forma natural en la atmósfera.
Estas sustancias, los gases de efecto invernadero, dejan pasar la radiación solar hacia la superficie, pero cuando ésta vuelve hacia el exterior como de radiación infrarroja, estos gases la atrapan, de forma que vuelve hacia la superficie y la atmósfera interior. El resultado es un aumento de la temperatura superficial respecto a la que habría en ausencia de estos componentes.
Por tanto, gracias a la presencia del vapor de agua en la atmósfera, la temperatura del planeta es óptima para la vida. Sin ella (y sin otros gases de efecto invernadero), la temperatura del planeta sería de unos -18°C, en vez de los 15°C que se tienen.
El contenido de vapor de agua atmosférico está directamente relacionado con la cantidad de CO2 y de otros gases de efecto invernadero de larga permanencia, de manera que aumenta cuando ellos lo hacen. Por tanto, para limitar la cantidad de vapor de agua en la atmósfera y controlar la temperatura de la Tierra, es preciso que el ser humano limite en lo posible los otros gases de efecto invernadero, especialmente los niveles de CO2.
El aumento de la temperatura global se espera que provoque a su vez un incremento de la cantidad de vapor de agua en la atmósfera. Esta mayor concentración de vapor, a su vez, atrapa más calor, aumentando más aún la temperatura, entrando en un “bucle” en forma de retroalimentación positiva.
No obstante, el agua en la atmósfera desempeña otro papel respecto a la radiación cuando se presenta en forma líquida o sólida (nubes). Las nubes impiden la entrada de una fracción importante de radiación solar, evitando un mayor calentamiento, a la vez que retienen y devuelven hacia la superficie la radiación terrestre. Dependiendo de su altura y grosor favorecerán más el calentamiento o el enfriamiento.
- Papel en el ciclo hidrológico
Los elementos y compuestos químicos que aparecen de forma natural en la Tierra se reciclan mediante una serie de procesos físicos, químicos y/o biológicos.
Se denominan ciclos biogeoquímicos al paso de estos elementos por los cuatro grandes componentes del sistema climático: atmósfera, hidrosfera, litosfera y biosfera.
Uno de estos ciclos es el ciclo hidrológico o ciclo del agua. Este ciclo representa el mayor movimiento de una sustancia química en el planeta, en el que el agua se traslada de unos lugares a otros cambiando de estado físico, con una intervención mínima de reacciones químicas.
Los principales procesos involucrados en el movimiento del agua entre los distintos compartimentos son evaporación, condensación, transporte, precipitación, escorrentía (circulación de agua por la superficie del terreno), infiltración y transpiración.
A grandes rasgos, el ciclo hidrológico se inicia con la evaporación de grandes cantidades de agua desde la superficie (océanos, principalmente), gracias a la energía solar. Los vientos transportan el aire húmedo hasta que se den las condiciones para que el vapor de agua pueda condensar formando nubes, las cuales pueden llegar a precipitar en forma líquida o sólida a la superficie. El agua precipitada sobre los continentes retorna en su mayor parte a los océanos, donde se inicia de nuevo el proceso.
Hay que tener en cuenta que la cantidad de agua almacenada en la atmósfera es muy pequeña si la comparamos con los océanos y los continentes, por lo que la transferencia a otros reservorios debe acelerarse. Se calcula que el tiempo de renovación de toda el agua atmosférica es de alrededor de 9 días.
Formación de nubes a partir de vapor de agua
Las nubes son el resultado de la condensación del vapor de agua en forma de gotitas líquidas o partículas de hielo que se mantienen en suspensión en el aire, y que pueden llegar a precipitar a la superficie en forma de lluvia, nieve o granizo.
Se forman cuando una masa de aire cálido asciende y el vapor de agua que contiene se enfría hasta alcanzar condiciones de saturación (punto de rocío), momento en el que comienza a condensar.
Sin embargo, para formar nubes no sólo se requiere vapor de agua, sino que en la atmósfera existan unas pequeñas partículas o sustratos que actúen como superficies donde condensarse: los núcleos de condensación.
Estos ascensos de las masas de aire pueden verse favorecidos por diversos procesos:
- Convección. El calor del suelo se transmite al aire más superficial, calentándolo. Al ser menos denso que el aire que le rodea, tiende a ascender.
- Convergencia. El aire es impulsado a ascender cuando confluyen vientos de direcciones opuestas en superficie.
- Orografía. Al encontrarse con una cadena montañosa, el aire es forzado a ascender para salvar el obstáculo.
- Frente. Dos masas de aire de distinta temperatura se encuentran con el paso de un frente, viéndose la masa de aire caliente obligada a ascender.
¿Qué papel juega el vapor de agua en el cambio climático?
Como hemos visto, el vapor de agua en la atmósfera juega un papel determinante en el comportamiento del clima. Las modificaciones en el contenido de vapor atmosférico provocan cambios en las condiciones en superficie.
Por ello, es importante analizar el comportamiento de esta variable en los últimos años, así como las proyecciones futuras que pueden esperarse.
En un contexto de calentamiento global en el que nos encontramos actualmente, cabe esperar un aumento de la temperatura del agua del mar y, por tanto, una mayor evaporación. Es decir, un incremento en el contenido global de vapor de agua atmosférico, o lo que es lo mismo, un aumento de los valores de agua precipitable.
Esto produce un fenómeno de retroalimentación positiva: con un aumento de la temperatura se produce un aumento de la evaporación de agua en océanos, mares, ríos, y esto contribuye a un aumento del vapor de agua en la atmósfera que se concadena.
Sin embargo, no están claras las implicaciones que esto puede tener combinando situaciones como la de una mayor formación de nubes con gotas más pequeñas que no se precipitan.
Lo que sí está claro, es que los cambios en los patrones de lluvias en diferentes regiones tendrían consecuencias para la economía y la vida de muchas personas.
Origen del vapor de agua
El vapor de agua que se encuentra en la atmósfera proviene, principalmente, de la evaporación de los mares y océanos.
Además, en la naturaleza, también se genera vapor de agua al calentarse el agua subterránea a través de algunos procesos volcánicos. Esta actividad volcánica generadora de vapor se manifiesta en forma de aguas termales, fumarolas, géiseres y algunos tipos de volcanes.
El vapor también se puede generar de forma artificial mediante sistemas tecnológicos como son las calderas compuestas por combustibles fósiles y en los reactores nucleares. De esta manera, sabemos que el vapor de agua constituye una importante fuente de energía para la industria.