Precipitación: formación, tipos, medición y parámetros de diseño

La precipitación es el agua, líquida o sólida, que se forma en las nubes y cae hasta la superficie terrestre como lluvia, llovizna, nieve, granizo u otras partículas de hielo. Es la principal entrada de agua del ciclo hidrológico y se mide como altura de agua acumulada sobre una superficie horizontal, en milímetros: 1 mm equivale a 1 litro por metro cuadrado.

Definición y contexto físico

El USGS define la precipitación como el agua que liberan las nubes en forma de lluvia, lluvia engelante, aguanieve, nieve o granizo. Por ella el agua evaporada regresa a la superficie dentro del ciclo del agua y alimenta suelos, acuíferos y la escorrentía superficial.

Para que precipite no basta con que haya nubes. El aire húmedo debe ascender y enfriarse hasta saturarse, y luego algunas partículas de la nube deben crecer lo suficiente para vencer las corrientes ascendentes y caer. El ascenso define los tipos de precipitación; el crecimiento de las partículas es materia de la microfísica.

Microfísica de la precipitación

Núcleos de condensación y crecimiento por difusión

En la atmósfera el vapor no forma gotitas por sí solo: necesita núcleos de condensación, partículas de aerosol solubles, como las de sal, o insolubles mojables de más de unos 0,1 µm de radio. Sobre ellas el agua se condensa con sobresaturaciones de una fracción de punto porcentual a unos pocos por ciento. La gotita típica alcanza unos 10 µm de radio y sigue creciendo porque el vapor se difunde hacia ella, pero cada vez más lento: su radio aumenta aproximadamente con la raíz cuadrada del tiempo. Solo por difusión, llegar al tamaño de la lluvia tomaría días, y una gota típica, de 1 mm de radio, contiene el agua de un millón de gotitas.

Colisión-coalescencia en nubes cálidas

En física de nubes, la coalescencia es la fusión de dos gotas en una mayor después de chocar. Las gotitas más grandes caen más rápido, alcanzan a las menores y, si se unen, crecen cada vez más deprisa. La eficiencia de colisión es menor de 10 % cuando la gota colectora mide menos de 40 µm de diámetro y se acerca a 100 % sobre 80 µm, de modo que el proceso requiere al menos unas pocas gotitas mayores de unos 40 µm. Según la AMS, este proceso de lluvia cálida opera bien en nubes convectivas de base sobre 10 °C y unos 2 km de espesor.

Proceso de Bergeron-Findeisen en nubes frías

Muchas nubes contienen agua sobreenfriada: gotitas líquidas bajo 0 °C, frecuentes entre 0 y −20 °C, que pueden no congelarse espontáneamente hasta cerca de −40 °C. Si aparecen unos pocos cristales de hielo, estos crecen a costa de las gotitas, porque la presión de vapor de saturación sobre el hielo es menor que sobre el agua. La diferencia es máxima cerca de −12 °C, donde vale unos 27 Pa y el aire saturado respecto del agua queda un 12 % sobresaturado respecto del hielo; allí un cristal puede volverse copo de nieve en 10 a 20 minutos. Si los cristales atraviesan una capa sobre 0 °C, caen como lluvia.

Velocidad terminal y órdenes de magnitud

Para gotitas de menos de unos 40 µm de radio vale la ley de Stokes:

donde $v_t$ es la velocidad terminal (m/s), $g$ = 9,81 m/s², $r$ el radio (m), $\rho_w$ = 1.000 kg/m³ y $\rho_a$ ≈ 1,2 kg/m³ las densidades del agua y del aire, y $\mu$ ≈ 1,8 × 10⁻⁵ Pa·s la viscosidad dinámica del aire.

Formas de precipitación

• Lluvia: gotas de más de 0,5 mm. Bajo 1 mm son casi esféricas; a 2 o 3 mm se achatan y hacia 4 o 5 mm se rompen.
• Llovizna: gotas de 0,1 a 0,5 mm, muy numerosas, que caen de estratos bajos y reducen la visibilidad.
• Nieve: cristales de hielo sueltos o en copos. Se registra por su equivalente en agua, porque el espesor de nieve fresca varía con su densidad; parte vuelve a la atmósfera por sublimación.
• Graupel: partículas blancas y opacas, en general de 2 mm o más, formadas cuando un cristal captura gotitas sobreenfriadas.
• Granizo: hielo de 5 mm o más, producido casi siempre por cumulonimbos.
• Aguanieve y lluvia engelante: mezcla de lluvia y nieve, y gotas sobreenfriadas que se congelan al tocar superficies frías.

Tipos según su origen

• Convectiva: el aire cálido y húmedo asciende bruscamente por calentamiento del suelo. Genera tormentas intensas, cortas y localizadas.
• Orográfica: el viento obliga al aire húmedo a subir por la ladera de barlovento de una cordillera. Es determinante en los Andes, donde la vertiente expuesta recibe mucha más precipitación que la de sotavento.
• Frontal o ciclónica: ocurre en el contacto entre masas de aire frío y cálido. Origina lluvias prolongadas de intensidad baja a moderada, típicas del invierno en el centro y sur de Chile.

Siembra de nubes o «bombardeo de nubes»

La siembra de nubes dispersa partículas dentro de nubes existentes para modificar el número y tamaño de sus gotas o cristales. No crea nubes ni agua: busca que una nube que ya contiene agua la precipite con más eficiencia. La OMM advierte que es imposible crear sistemas nubosos que llueven.

La siembra glaciogénica se aplica en nubes con agua sobreenfriada y aprovecha el proceso de Bergeron-Findeisen. El yoduro de plata (AgI), de estructura cristalina parecida al hielo, actúa como núcleo de hielo: no hace que las gotas «se condensen», sino que congela parte del agua sobreenfriada. El hielo seco, que sublima a −78,5 °C, logra un efecto similar por enfriamiento. Schaefer describió el efecto del hielo seco en 1946 y Vonnegut, el del yoduro de plata en 1947. Se libera desde aviones o generadores en tierra. La siembra higroscópica, en cambio, libera sales como el cloruro de sodio en nubes convectivas para formar gotas grandes y favorecer la colisión-coalescencia.

La OMM informa programas operativos en más de 50 países. La GAO de Estados Unidos identificó actividades en 39 países entre 2020 y 2024, entre ellos Chile, con generadores de yoduro de plata en tierra, y México, con aviones; en Estados Unidos había programas en al menos nueve estados a julio de 2024.

La evidencia sobre su eficacia es la siguiente:

• Nubes orográficas invernales: la OMM (2025) reconoce evidencia estadística y física de aumento con siembra glaciogénica. En el experimento SNOWIE (Idaho, 2017) se observó por primera vez con radares y aviones la cadena completa, desde la liberación de AgI hasta la nieve en el suelo (French y otros, 2018), y se estimaron unos 123.000 m³ de agua con 20 minutos de siembra y 339.000 m³ con 24 minutos (Friedrich y otros, 2020).
• Magnitud: Flossmann y otros (2019), del equipo de expertos de la OMM, indican que las campañas aleatorizadas muestran aumentos desde prácticamente cero hasta más de 20 %, sin causa clara de esa dispersión. La GAO (2024) halló estimaciones de 0 a 20 % y casos en que el efecto no se distinguía de cero con 95 % de confianza.
• Nubes convectivas y granizo: la variabilidad natural oculta la señal de la siembra, y la OMM considera insuficientes los experimentos de supresión de granizo. No hay métodos demostrados para modificar ciclones tropicales, tornados o crecidas.
• Ambiente: los estudios publicados no muestran impactos significativos del yoduro de plata en las cantidades usadas.

Medición: pluviómetro, radar y satélite

Pluviómetros y pluviógrafos

El pluviómetro es un cilindro con embudo que acumula el agua caída. La guía OMM-N° 8 recomienda una boca de 200 a 500 cm², y de al menos 200 cm² si se espera nieve, y ningún obstáculo debe quedar a menos del doble de su altura sobre la boca. El pluviógrafo de balancín vuelca cubetas de 0,2 mm como máximo y permite calcular intensidades en intervalos de un minuto; sin corrección, subestima las intensidades altas y sobrestima las bajas.

Todo pluviómetro capta menos de lo que cae. Según la OMM-N° 8, la deformación del viento resta típicamente de 2 a 10 % en lluvia y de 10 a 50 % en nieve; el mojado de paredes, de 2 a 15 % en verano; y la evaporación, hasta 4 %. Las pantallas contra el viento son esenciales para medir nieve.

Radar meteorológico

El radar mide la energía que devuelven las gotas. El factor de reflectividad $Z$ (mm⁶/m³) suma las sextas potencias de los diámetros de las gotas por unidad de volumen:

donde $Z_1$ = 1 mm⁶/m³, $R$ es la intensidad de lluvia (mm/h) y $a$ y $b$ son coeficientes empíricos, con $a$ entre 200 y 600 y $b$ entre 1,5 y 2,0; la relación clásica de Marshall y Palmer usa 200 y 1,6. Como una misma reflectividad puede corresponder a lluvias distintas, el radar se ajusta con pluviómetros. Su fortaleza es la cobertura espacial continua para alertas de crecidas.

Satélites: GPM e IMERG

La misión GPM, encabezada por la NASA y la JAXA, lanzó su observatorio central el 27 de febrero de 2014 con un radar de doble frecuencia (13,6 y 35,5 GHz) y un radiómetro de microondas de 13 canales. El producto IMERG fusiona esas observaciones con una constelación de satélites en mallas de 0,1° (unos 10 km) cada media hora, con cobertura completa entre 60° N y 60° S y registro desde junio de 2000. Pierde precisión sobre nieve o hielo y cerca del relieve, algo relevante en cuencas andinas.

Parámetros para el diseño hidrológico

• Altura o lámina ($P$, mm): total caído en un intervalo.
• Duración ($t$, h): tiempo del evento o intervalo analizado.
• Intensidad ($i$, mm/h): $i = P/t$. Controla los caudales máximos, por ejemplo en el método racional.
• Período de retorno ($T$, años): una lluvia de período $T$ tiene una probabilidad $1/T$ de ser igualada o superada en un año cualquiera; la de 10 años no ocurre necesariamente cada diez años. Ver qué es el período de retorno.
• Distribución espacial: promedio aritmético, polígonos de Thiessen o isoyetas.

La probabilidad de que el evento de diseño sea igualado o superado al menos una vez en $n$ años de vida útil es:

Intensidad, duración y frecuencia se combinan en las curvas IDF, base de la lluvia de diseño.

Ejemplos resueltos

1. Velocidad terminal de una gotita de nube con $r$ = 10 µm:

Tardaría unas 23 horas en descender 1.000 m en aire quieto; una gota de 3 mm, a unos 8 m/s, lo hace en 125 s.

2. Intensidad media. Un pluviógrafo de balancín de 0,2 mm registra 90 vuelcos, es decir, 18 mm, en 30 minutos:

3. Precipitación media por Thiessen. Tres estaciones registran 620, 480 y 910 mm anuales y sus polígonos cubren 40, 35 y 25 km² de una cuenca de 100 km²:

El promedio aritmético daría 670 mm al sobreponderar la estación más lluviosa.

4. Intensidad por radar. Un eco de 40 dBZ equivale a $Z$ = 10⁴ mm⁶/m³. Con Marshall y Palmer:

Con $Z = 300\,R^{1{,}4}$, la relación por defecto de los radares WSR-88D, resulta 12,2 mm/h.

5. Riesgo en la vida útil. Una alcantarilla diseñada para $T$ = 10 años, con 10 años de vida útil:

Hay un 65,1 % de probabilidad de que la lluvia de diseño sea igualada o superada al menos una vez. Con $T$ = 100 años y 50 años de vida útil, 39,5 %.

Errores frecuentes

• Decir que una lluvia de 10 años tiene 10 % de probabilidad «de ocurrir»: es de ser igualada o superada cada año.
• Confundir la coalescencia de gotas de nube con la de burbujas en tanques de aireación.
• Afirmar que el yoduro de plata condensa las gotas: nuclea hielo en nubes sobreenfriadas.
• Citar un porcentaje fijo de aumento por siembra de nubes sin tipo de nube ni incertidumbre.
• Usar registros sin corregir en zonas con nieve y viento, donde la subcaptación llega a decenas de por ciento.
• Estimar intensidades de corta duración con totales diarios.
• Tomar radar o satélite como medición directa sin contrastarlos con pluviómetros.

Preguntas frecuentes

Fuentes

• USGS Water Science School. Precipitation and the Water Cycle. U.S. Geological Survey. usgs.gov
• American Meteorological Society. Glossary of Meteorology: Bergeron–Findeisen process, collision efficiency, warm rain process, Z–R relation. glossary.ametsoc.org
• Stull, R. (2017). Practical Meteorology: An Algebra-based Survey of Atmospheric Science, cap. 7. University of British Columbia. eoas.ubc.ca
• Organización Meteorológica Mundial (2023). Guide to Instruments and Methods of Observation, Volume I (WMO-No. 8), cap. 6. community.wmo.int
• Organización Meteorológica Mundial (2025). WMO Statement on Weather Modification. wmo.int
• Flossmann, A. I., Manton, M., Abshaev, A., Bruintjes, R., Murakami, M., Prabhakaran, T. y Yao, Z. (2019). Review of advances in precipitation enhancement research. Bulletin of the American Meteorological Society, 100(8), 1465–1480. doi.org
• U.S. Government Accountability Office (2024). Cloud Seeding Technology: Assessing Effectiveness and Other Challenges (GAO-25-107328). gao.gov
• NASA. IMERG: Integrated Multi-satellitE Retrievals for GPM. Global Precipitation Measurement Mission. gpm.nasa.gov