Para entender por qué las nubes son turbulentas, entran en juego varios factores.
Primero, uno debe entender cómo se forman las nubes. Hay varios tipos principales, cada uno con diferentes niveles de turbulencia. En general, los estratos (nubes anchas y planas) no son muy turbulentos, en comparación con los cúmulos (del tipo hinchado). Todo el aire tiene una cierta cantidad de vapor de agua y se vuelve menos denso a medida que se calienta, debido a que los átomos se mueven más rápidamente y se separan entre sí. Cuando la luz solar golpea la tierra, calienta el aire cerca del suelo. A medida que el aire se calienta, la densidad disminuye y comienza a aumentar. Esto se llama térmico. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura, mayor será la diferencia de densidad y más rápido se elevará el aire.
El aire tiene masa. De la misma manera que siente ráfagas de viento, incluso sin una nube, cuando un avión golpea una térmica, siente una oleada ascendente, como pisar el viento detrás de una pared de ladrillos, solo vertical. Sin embargo, eso en sí mismo no es muy turbulento.
A medida que el aire sube, las moléculas continúan separándose, se expande y la temperatura baja. Finalmente, no puede retener el agua en forma de vapor, y el agua se condensa en partículas finas en el aire. Esto sucede a una presión y temperatura de aire bastante consistentes, por lo que las nubes tienden a tener una base plana, o al menos comienzan de esa manera.
Las nubes se vuelven más turbulentas que el aire claro por dos razones:
El primero es lo que llamamos el calor latente de la condensación. Cuando el vapor de agua se condensa en pequeñas gotas, y esta es la parte crítica, libera grandes cantidades de energía, que es absorbida por el aire. Las gotas de agua pesan más y tienden a querer hundirse. Aunque el vapor de agua (no las gotas de agua) técnicamente pesa un poco menos que el aire seco, el aire ahora energizado se expande aún más y sube aún más rápido.
El segundo es la conservación localizada del impulso. La condensación no comienza todo al mismo tiempo. A medida que se condensan las primeras bolsas de vapor de agua, el aire ascendente en expansión crea una corriente ascendente localizada, y las gotas de agua, retenidas por la gravedad, tiran en la dirección opuesta. Al igual que cuando se arrastra detrás del automóvil que está frente a usted, estos diferentes bolsillos de aire seco y ascendente y las gotas de agua sincronizadas comienzan a alinearse. A medida que lo hacen, ganan impulso en sus canales localizados. Mientras más humedad, la energía que contiene vapor de agua se eleva desde abajo, libera esta energía a las gotitas de agua, liberando el aire para elevarse cada vez más rápido, el ciclo no solo continúa, sino que se acelera. Las gotas que se acumulan se funden en corrientes que se arrastran unas a otras, formando ríos de gotas que conocemos como lluvia.
Sin esta liberación de energía de la humedad en el aire, las nubes simplemente continuarían elevándose y expandiéndose, hasta alcanzar el equilibrio con el resto del cielo. Esto es efectivamente lo que sucede con las nubes estratos anchas y planas. Hay una diferencia menor en la temperatura del aire a medida que uno sube, por lo que el aire sube más lentamente y tiene más tiempo para extenderse de manera uniforme, o simplemente hay menos vapor de agua para proporcionar la energía.
En el caso de las nubes cúmulos, hay una diferencia de temperatura mucho mayor, por lo que el aire sube más rápidamente o hay más vapor de agua para proporcionar energía. El ciclo, alimentándose, se vuelve mucho más turbulento. Incline esa escala lo suficiente, o aliméntela con más humedad desde abajo durante el tiempo suficiente, y se convertirá en una tormenta de cumulonimbos monstruosa y turbulenta.
