Psicrometría meteorológica: humedad atmosférica

El diagrama psicrométrico nació para la ingeniería de climatización, pero los mismos principios físicos (la dependencia de la presión de saturación con la temperatura, los procesos adiabáticos, la condensación) valen también para el aire de la atmósfera. Las nubes no son otra cosa que aire cuya temperatura ha bajado de su punto de rocío. El efecto Foehn es un fenómeno psicrométrico que se describe con el diagrama. Y los datos climáticos (archivos EPW) son el perfil psicrométrico de un lugar a lo largo de todo el año: la entrada de las simulaciones energéticas de edificios.

El nivel de condensación y la formación de nubes

El aire que asciende sobre una superficie caliente se enfría adiabáticamente, porque se expande. Mientras no está saturado, se enfría según el gradiente adiabático seco, unos 9,8 °C/km, y su humedad específica $W$ no cambia. En cuanto la temperatura baja hasta el punto de rocío empieza la condensación. Esa altura es el nivel de condensación por ascenso (NCA) y corresponde a la base de las nubes. Por encima, el aire se enfría más despacio, según el gradiente adiabático saturado (4–7 °C/km), porque la condensación libera calor latente. La diferencia entre los dos gradientes es la base del efecto Foehn.

Una regla práctica da la altura de la base de las nubes a partir de las condiciones en superficie: unos 125 m por cada grado de diferencia entre la temperatura y el punto de rocío,

$$z_{NCA} \approx 125 \cdot (t - t_r) \quad \text{[m]}$$

En el diagrama de Carrier, el ascenso seco es un desplazamiento horizontal hacia la izquierda ($W$ constante) hacia la curva de saturación. Pero la presión baja con la altura, y con ella se desplaza la propia curva; por eso el diagrama de climatización, dibujado para una presión fija, sirve para entender el proceso, no para calcular la ascensión. Esa es la tarea del diagrama aerológico.

El efecto Foehn y su explicación psicrométrica

El Foehn es un viento cálido y seco en la ladera de sotavento de una cordillera, un ciclo adiabático asimétrico:

1. Barlovento: el aire asciende, primero enfriándose según el gradiente seco (9,8 °C/km) y, desde el nivel de condensación, según el saturado (unos 5–6 °C/km). La precipitación retira parte de la humedad: $W$ disminuye.
2. La cumbre: el aire llega arriba con una $W$ menor que la de partida.
3. Sotavento: el aire desciende según el gradiente seco (9,8 °C/km), porque ya no está saturado y no hay precipitación. El resultado, a la misma altitud, es un aire con prácticamente la misma entalpía que al principio, pero más caliente y mucho más seco: el calor latente que liberó la condensación se ha quedado en el aire como calor sensible.

Ejemplo: aire a 500 m de altitud, a 10 °C y 80 % (punto de rocío 6,7 °C), que cruza una cordillera de 3000 m. Condensa a partir de unos 900 m, llega a la cumbre a unos −6,5 °C y, al bajar por sotavento hasta los mismos 500 m, llega a unos 18 °C con alrededor del 25 %: 8 °C más caliente y mucho más seco.

En España es el mecanismo del viento sur en la costa cantábrica: el aire de la meseta cruza la cordillera y llega a Bilbao o Santander cálido y seco, a veces con temperaturas de verano en pleno otoño o invierno.

La niebla: condensación sin ascenso

La niebla es una nube a ras de suelo. Se forma cuando el aire se enfría por debajo de su punto de rocío sin ningún movimiento vertical: por enfriamiento radiativo nocturno (niebla de radiación, típica de los valles del interior en invierno), por el paso de aire cálido y húmedo sobre una superficie fría (niebla de advección, frecuente en la costa) o por la mezcla de dos masas de aire (niebla de mezcla). En todos los casos, en el diagrama psicrométrico, es un cruce de la curva de saturación.

La medición de la humedad en meteorología

Las estaciones meteorológicas miden la temperatura seca y la de bulbo húmedo con un psicrómetro de aspiración o con un sensor capacitivo; con los dos valores se calculan todas las magnitudes psicrométricas (véase la temperatura de bulbo húmedo). El perfil vertical de la atmósfera se mide con radiosondas: un instrumento colgado de un globo con sensores de temperatura, humedad y presión. El resultado es un diagrama aerológico (skew-T log-P), el equivalente meteorológico del diagrama psicrométrico.

Archivos EPW: datos climáticos para la simulación

Una simulación energética de edificios (EnergyPlus, IDA ICE, DesignBuilder) necesita datos climáticos horarios de todo el año, un año meteorológico tipo (TMY). El formato estándar es el EPW (EnergyPlus Weather Format), que para cada hora del año contiene la temperatura seca, el punto de rocío, la humedad relativa, la presión, la radiación solar, el viento y otras variables. La variable psicrométrica clave es el punto de rocío: a partir de él y de la temperatura seca, el programa calcula para cada hora la entalpía, la humedad específica y la humedad relativa. En España, las herramientas oficiales de cálculo del Código Técnico usan sus propios archivos climáticos de referencia por zona climática.

PsychroView puede leer un archivo EPW y obtener de sus 8760 horas las condiciones de proyecto de invierno y de verano.

Análisis climático en el diagrama

Representar un año completo de datos horarios en el diagrama psicrométrico (un diagrama climático) muestra de inmediato qué parte del año es adecuada para el free cooling, el enfriamiento evaporativo o la ventilación natural. En Madrid, las horas de verano forman una nube alargada y baja: temperaturas altas con poca humedad específica, la zona en la que el enfriamiento evaporativo rinde al máximo. En Valencia o en Bilbao la nube está más arriba, con más humedad específica y menos margen hasta la saturación, y la deshumectación pesa más en el proyecto. Las horas de invierno del interior se agrupan en torno a 0–10 °C con humedades relativas altas.

Preguntas frecuentes

¿Por qué el aire saturado se enfría más despacio al ascender que el aire seco? Porque la condensación del vapor de agua libera calor latente, que compensa en parte el enfriamiento por expansión. Por eso el gradiente saturado (4–7 °C/km) es menor que el seco (9,8 °C/km).

¿Dónde se consiguen archivos EPW de mi localidad? En portales públicos (climate.onebuilding.org, energyplus.net), que cubren miles de emplazamientos, también de España y Latinoamérica. La precisión del punto de rocío de un archivo EPW influye directamente en los resultados de una simulación energética de la climatización.

¿El diagrama aerológico es lo mismo que el psicrométrico? Comparten la física, pero no los ejes. El diagrama aerológico (skew-T log-P) muestra la temperatura y el punto de rocío en función de la presión (la altitud), mientras que el psicrométrico muestra, a presión constante, la temperatura, la humedad específica y la entalpía.