¿Qué es el vapor de agua y cómo se forma?
El vapor de agua es el gas que surge de la «evaporación» o la «ebullición» del agua en estado líquido, o bien, de la «sublimación» del agua en estado sólido (hielo).
Esto sucede cuando las moléculas de H2O rompen los enlaces que las unen, debido a una agitación provocada por una incorporación de energía (calor) al sistema.
Cuando el agua se encuentra en estado líquido, sus moléculas se separan y se unen todo el tiempo. Pero, cuando se les suministra calor, los enlaces entre moléculas comienzan a romperse más rápido de lo que pueden formarse. Por lo tanto, si la sustancia recibe el calor suficiente, algunas moléculas podrán liberarse y formar vapor.
La evaporación del agua líquida se acelera cuando aumenta la temperatura, y, contrariamente, se ralentiza cuando esta disminuye.
La ebullición, en cambio, implica el pasaje del estado líquido al gaseoso como consecuencia a la exposición a un calor intenso de forma prolongada. Para el caso del agua pura, la temperatura de ebullición es de 100°C. Es decir, cuando la sustancia alcanza esa temperatura, comienza a hervir. Sin embargo, el agua no tiene que está hirviendo para que exista vapor de agua (debido a la evaporación).
Una vez que el agua líquida alcanza su punto de ebullición, sigue absorbiendo calor para convertirse en vapor, pero sin aumentar su temperatura. El proceso podrá durar hasta que se consuma toda la sustancia líquida.
Por otra parte, el proceso inverso por el cual el vapor de agua se convierte en agua líquida recibe el nombre de «condensación». El vapor sólo se podrá condensar sobre una superficie cuya temperatura sea menor a la del punto de rocío, o bien, cuando se haya excedido la cantidad máxima de vapor que puede contener el aire.
Propiedades del vapor de agua
El vapor de agua es incoloro e inodoro. De todas formas, puede adquirir una apariencia blanca y turbia si se entremezcla con pequeñas gotitas de agua líquida. Cuando esto ocurre, se suele denominarlo “vapor húmedo”, y puede reducir la visibilidad según qué tan denso sea.
Vapor de agua en la atmósfera
El vapor de agua existe de manera natural en la atmósfera de nuestro planeta. Es un gas que presenta niveles traza, con una concentración muy variable tanto espacial como temporalmente.
Por otro lado, el principal gas de efecto invernadero de origen natural, pero, a diferencia de otros gases, no es uno de los causantes de la intensificación del efecto invernadero.
El vapor de agua representa más del 99% del agua presente en la atmósfera, y, en menor o mayor medida, siempre forma parte del aire a nivel planetario.
La mayor parte del vapor (>99%) se encuentra en la troposfera, y, por lo general, cerca del 50% se ubica por debajo de los 2000 metros de altura.
Si todo el vapor de agua atmosférico se condensara y cayera al mismo tiempo, se estima que cubriría la Tierra con una capa líquida de 25 mm de espesor (en promedio). Aunque, si somos más específicos, dado que el vapor de agua no se distribuye de manera homogénea, la profundidad de la capa sobre el ecuador podría ser de unos 50 mm, mientras en los polos alcanzaría los 2,5 mm aproximadamente.
No obstante, es importante remarcar que, como la precipitación anual promedio a nivel global es de unos 1000 mm, el agua precipitable debe recircular unas 40 veces a lo largo del año. Esto se logra gracias al llamado «ciclo hidrológico», que es el conjunto de los procesos que permiten el intercambio de agua entre los diferentes subsistemas terrestres.
La cantidad de vapor presente en el aire es lo que denominamos “humedad”. Más aún, se distinguen dos grandes tipos de humedad: absoluta y relativa.
La humedad absoluta representa la concentración real de vapor de agua en el aire, y se expresa en g/m3.
La humedad relativa, en cambio, es la relación que existe entre la cantidad de vapor de agua presente en el aire y la máxima cantidad de vapor que este puede contener a una temperatura determinada, y se expresa con un número porcentual, del 0% (aire seco) al 100% (aire saturado). A mayor temperatura, mayor será la cantidad de vapor de agua que puede almacenar el aire.
La humedad relativa del aire puede obtenerse con un instrumento llamado “higrómetro”. El valor medido va a depender de diferentes factores, como el régimen de precipitaciones, la dirección del viento y la temperatura.
Distribución del vapor de agua atmosférico
Como se dijo anteriormente, el vapor de agua no se distribuye de manera homogénea, sino que su presencia en el aire depende en gran medida del clima de cada región. De todas formas, en términos generales, podemos decir que la concentración de vapor de agua puede llegar a representar hasta el 4% de todos los gases que componen la troposfera.
Las concentraciones de vapor de agua son más elevadas en regiones donde hay mayor evaporación, como los océanos y, en particular, la zona intertropical.
Por el contrario, las menores concentraciones de vapor suelen darse en las zonas interiores desérticas.
El transporte de agua en la atmósfera está condicionado principalmente por la circulación atmosférica y los patrones de temperatura. Esto provoca que su distribución no sea uniforme, tanto vertical como horizontalmente. Por ejemplo, ocurre que, frente a las regiones húmedas y lluviosas que se ubican en latitudes ecuatoriales, tenemos los desiertos subtropicales, donde la humedad relativa es muy baja.
Por otra parte, la distribución temporal del vapor de agua presenta variaciones en todas las escalas, de segundos a décadas. Las variaciones en menor escala se deben a la turbulencia que se produce en la capa de aire superficial, que, a su vez, está relacionada con el viento y la evaporación.
Otros factores que influyen en la redistribución del vapor son las nubes trasladadas por el viento, los cambios estacionales, y las brisas de mar que tienen lugar en zonas costeras.
Por último, existen eventos caracterizados por una mayor periodicidad, que generan cambios en la distribución del vapor a escalas de tiempo mayores. Por ejemplo, podemos mencionar al fenómeno “ENSO” (El Niño-Oscilación del Sur), que se presenta mayormente cada 4 a 7 años. Este fenómeno oceánico-atmosférico altera las zonas de evaporación y precipitación, gracias a importantes desplazamientos de masas de agua en el océano Pacífico. Como resultado, tiene lugar una modificación temporal de los patrones típicos de humedad y precipitación en diferentes regiones de nuestro planeta.
Saturación del aire y presión de vapor
La capacidad del aire para almacenar vapor de agua aumenta con la temperatura. Cuando el aire contiene la máxima cantidad de vapor posible (humedad relativa del 100%), cualquier excedente de vapor, o cualquier enfriamiento considerable, hará que el límite se sobrepase, resultando en una condensación del vapor sobrante. Cuando eso ocurre, decimos que el aire está saturado.
Por otra parte, además de la humedad relativa, existe otro concepto que nos permite expresar la cantidad de vapor de agua en el aire: la «presión de vapor». Esta se define como la presión parcial de las moléculas de vapor en el aire, y se expresa en hPa. Entonces, si sumamos la presión de vapor a las presiones parciales del resto de los gases presentes, obtendremos la presión del aire.
Podemos concluir que, en un volumen de aire determinado, si aumenta la cantidad de moléculas de vapor, la presión de vapor será mayor. A tal punto que, cuando el aire se satura, decimos que se alcanzó la “presión de vapor saturante”, que aumenta exponencialmente con la temperatura.
Similar a la humedad relativa, los diferentes valores de la presión de vapor saturante indican la máxima cantidad de vapor que puede contener el aire a una temperatura determinada.
Importancia del vapor de agua atmosférico
El agua es una sustancia imprescindible para la vida en nuestro planeta. En particular, su presencia en la atmósfera resulta clave en la regulación de la temperatura global y la continuidad del ciclo hidrológico.
- Papel como gas de efecto invernadero
El vapor de agua es el gas de efecto invernadero de origen natural más importante, tanto por su concentración como por su capacidad para absorber la radiación infrarroja (proveniente de la superficie terrestre). No obstante, su permanencia en la atmósfera es mucho menor que la de otros gases contaminantes, por lo que no resulta nocivo para nuestro planeta.
De hecho, gracias al vapor de agua atmosférico, la temperatura del planeta es óptima para la vida. Sin este gas (y otros gases de efecto invernadero), la temperatura media global sería de unos -18°C, en vez de los 15°C que tenemos actualmente.
La concentración de vapor de agua en la atmósfera se relaciona directamente con la cantidad presente de CO2 y otros gases de efecto invernadero de larga permanencia, de tal manera que aumenta cuando estos lo hacen. Por ese motivo, para limitar la cantidad de vapor de agua en el aire, el ser humano debe limitar sus emisiones de gases de efecto invernadero (especialmente de CO2).
El aumento de la temperatura global provoca un incremento en la concentración de vapor de agua atmosférico (debido a que hay más evaporación). Esto, a su vez, favorece al calentamiento global, dado que, como ya se dijo, el vapor de agua es un gas de efecto invernadero. Esto se conoce como fenómeno de retroalimentación positiva.
Por último, el vapor de agua en el aire también favorece la formación de nubes, que reflejan parte de radiación solar incidente, disminuyendo los efectos del calentamiento, y, a la vez, retienen parte de la radiación de onda corta emitida desde la superficie terrestre, contribuyendo al calentamiento. Qué tanto favorecen o disminuyen el calentamiento, dependerá de su altura y grosor.
- Papel en el ciclo hidrológico
El ciclo hidrológico es el conjunto de los procesos que permiten la circulación del agua entre los diferentes subsistemas terrestres (atmósfera, hidrósfera, criosfera, litosfera y biosfera). Dicho de otra forma, es el ciclo cerrado que caracteriza el transporte de agua en nuestro planeta mediante los diferentes cambios de estado.
Dado que el agua en nuestro planeta existe de manera limitada y se encuentra dispersa en los diferentes estados de la materia, el ciclo hidrológico resulta indispensable para la supervivencia de las diferentes especies y ecosistemas que dependen de esta sustancia.
Los procesos más importantes involucrados en este ciclo son la evaporación, la condensación, el transporte, la precipitación, la escorrentía, la infiltración y la transpiración.
El ciclo hidrológico comienza con la evaporación de grandes cantidades de agua en la superficie (principalmente agua de los océanos), debido a la incidencia de la radiación solar. Luego, el viento transporta el aire húmedo hasta hallar condiciones propicias para que el vapor se condense y forme nubes. A su vez, estas pueden generar precipitación (líquida o sólida) y permitir que el agua vuelva a la superficie. Por último, se produce el retorno a los océanos, donde comienza nuevamente el proceso.
Formación de nubes a partir de vapor de agua
Las nubes se originan por la condensación del vapor presente en el aire, en forma de gotitas de agua o cristales de hielo. Estas partículas son tan pequeñas que se mantienen suspendidas en la atmósfera, aunque por diferentes procesos pueden llegar a crecer y precipitar a la superficie en forma de lluvia, nieve o granizo.
En líneas generales, para formar una nube se necesita que una masa de aire cálido y húmedo ascienda a través de la troposfera hasta enfriarse lo suficiente como para saturarse. Cuando eso ocurre, el vapor de agua que contiene comienza a condensarse.
Sin embargo, para generar nubes no solo se necesita vapor de agua, sino que en el aire deben existir pequeñas partículas sólidas que actúen como “núcleos de condensación”, es decir, superficies en las cuales el vapor puede condensarse.
Las masas de aire pueden ascender por diversos motivos:
- Convección: El aire se eleva debido a una pérdida de densidad, como consecuencia de un calentamiento que se produce desde la superficie, por acción de la radiación solar.
- Convergencia: El aire se ve obligado a ascender cuando confluyen vientos de direcciones opuestas cerca de la superficie.
- Orografía: El aire asciende al encontrarse con una cadena montañosa.
- Frente: El aire asciende al encontrarse con una masa de aire más frío. Como el aire frío es más denso que el aire cálido, este último tenderá a elevarse sobre el primero.
¿Qué papel juega el vapor de agua en el cambio climático?
El vapor de agua atmosférico tiene un rol determinante en el comportamiento del clima, a tal punto que los cambios en su concentración modifican las condiciones en superficie. Por ese motivo, es fundamental entender sus variaciones, ya que nos permite realizar proyecciones futuras.
Actualmente nos encontramos en un escenario de cambio climático, donde cabe esperar un incremento en la temperatura de los océanos, lo que implica una mayor evaporación y, por ende, un aumento en la cantidad total de vapor de agua atmosférico.
Podemos decir entonces que estamos ante un fenómeno de retroalimentación positiva: con el incremento de la temperatura tiene lugar una mayor evaporación en los océanos, lo que provoca un aumento en la concentración de vapor de agua en la atmósfera y, como el vapor es un gas de efecto invernadero, favorece el calentamiento.
Si bien todavía no están claras las consecuencias que esto puede tener, es esperable que los cambios en las concentraciones del vapor de agua modifiquen los patrones de lluvias en diferentes regiones, y afecten seriamente a la economía y la vida de muchas personas.
Origen del vapor de agua
El vapor de agua atmosférico proviene mayormente de la evaporación de los mares y océanos.
Por otra parte, también se genera vapor naturalmente al calentarse el agua subterránea a través de algunos procesos volcánicos, lo que da lugar, por ejemplo, a las aguas termales, las fumarolas y los géiseres.
El vapor de agua también puede ser originado artificialmente con algunos sistemas tecnológicos como las calderas compuestas por combustibles fósiles o incluso los reactores nucleares.