Los cumulonimbos pueden producir algunos de los fenómenos más violentos de que es capaz la atmósfera como las tormentas con rayos, las grandes expansiones nubosas, los tornados, los reventones descendentes  y las fuertes rachas. Estas nubes varían mucho en tamaño y capacidad destructiva; algunas provocan poco más que una lluvia copiosa. Ésta es una descripción de algunos de los cumulonimbos más pequeños y menos peligrosos encontrados en el aire inestable de origen polar sobre el Reino Unido. Una descripción de las nubes de tormenta más feroces, las cuales se dan en las masas de aire tropical, está programada para la próxima entrega.

Los cumulonimbos se desarrollan habitualmente cuando el aire es inestable a alturas bastante por encima de la del nivel de congelación. Para producir lluvia, la cumbre de una nube casi siempre ha de elevarse sobre el nivel de congelación. A temperaturas por debajo de cero grados la nube contiene pequeñas gotitas de agua y cristales de hielo. La presión del vapor "sobre hielo" es menor que "sobre agua" y cuando los cristales de hielo y las gotas están mezclados los primeros crecen a expensas de las últimas. Esto forma nieve, la cual se funde en lluvia cuando cae por debajo del nivel de congelación.

Algunas nubes calientes también pueden producir lluvia. La mezcla de hielo y agua no siempre es esencial para que se produzca la lluvia: algunos cúmulos grandes producen lluvias incluso aunque la temperatura en sus cumbres esté sobre cero grados. Esto se cree que es debido a la coalescencia cuando gotas grandes que caen rápidamente colisionan y crecen al tropezarse con gotitas más pequeñas que encuentran en su camino. Este proceso es más lento y no tan eficiente como el proceso hielo-agua.

La energía disponible depende de la cantidad de calor latente liberado por la condensación.  A su vez esto depende de la cantidad de vapor de agua contenido en el aire. Cuanto más caliente esté el aire más cantidad de vapor podrá albergar y mayor será la cantidad de energía liberada cuando la nube se forme. La Fig. 1 es un diagrama termodinámico (tephigram) simplificado. 

Las líneas de presión van de los 1.000 mb (normalmente a una altura próxima a la del nivel del mar) hasta los 150 mb a una altura de unos 45.000 pies. Las temperaturas van de los 30º a los -80º. Tres tipos de masas de aire están representadas. El aire ártico, que es con mucho el más frío, aparece a la izquierda: el área sombreada representa la energía que será liberada cuando el cúmulo se forme en este aire helado. La cantidad es relativamente pequeña, y es por esto que raramente se encuentran tormentas en las grandes latitudes.

En el medio está el aire polar. La zona en sombra pone de manifiesto que estas nubes pueden liberar bastante energía cuando el aire se adentra en las regiones templadas como el Reino Unido. A la derecha está el aire tropical el cual tiene una enorme cantidad de energía disponible. Esto solo ocurre en el Reino Unido durante el verano.

La Fig. 1 deja claro que la parte más alta de las zonas sombreadas son, normalmente, bajas en el aire ártico (con una altura de 18.000 pies en este diagrama) y altas en el aire tropical. En el aire polar la energía a menudo asciende tanto como hasta los 35.000 pies. Se ha visto que en el aire tropical muy húmedo la energía se extiende por encima de los 45.000 pies. De hecho los cumulonimbos tropicales se pueden elevar tan rápido que sus cimas pueden romper esa barrera y subir mucho más de lo que aquí se muestra; unas cuantas mediciones realizadas con radar mostraban cimas de nimbos que alcanzaron los 58.000 pies. El tamaño y la ferocidad de los cumulonimbos están estrechamente ligados a la energía disponible y a la altura hasta la cual crece la nube.

Las predicciones meteorológicas que pronostican la aparición de cumulonimbos están fundamentalmente basadas en los últimos sondeos del aire de las capas altas realizados en alguna estación situada "viento arriba" del lugar objeto de estudio. Cuando estos sondeos se dibujan en un diagrama termodinámico y se introducen las modificaciones necesarias para tomar en cuenta el calentamiento del suelo y el punto de rocío, se puede conocer el nivel de condensación, o base de la nube, y la altura que probablemente alcanzará la cima de la misma. 

Se da por supuesto que la nube crecerá hasta la parte más alta del área sombreada (una nube vigorosa romperá y rebasará ese nivel y, como resultado, la cumbre podrá ser varios miles de pies más alta). Las primeras nubes raramente sobrepasan el máximo teórico; normalmente pasan varias horas hasta que las nubes alcanzan la altura máxima posible. La Fig. 2 muestra el proceso.

1. Los primeros cúmulos son pequeños y numerosos. Cada pequeña nube es un fenómeno independiente. A medida que sus cimas se elevan penetran en el aire circundante y si éste es relativamente seco, la torre nubosa comienza a evaporarse. La evaporación produce enfriamiento y la nube decae pronto. Las nubes altas y delgadas normalmente tienen una vida corta. Cuanto más ancha es la base de una nube más larga es su vida.
2. El siguiente estado se produce cuando algunos cúmulos se combinan para formar un grupo. Las nubes del perímetro todavía sufren erosión mientras se elevan pero las células del interior se encuentran protegidas por el calor y humedad circundantes. Este grupo de nubes puede, ahora, comenzar a crecer mucho más en altura y anchura. La vida de una agrupación es mucho más larga que la de una célula aislada. La masa principal de la nube crece en altura a medida que su base se expande y el flujo de aire convergente se incrementa.
3. El tercer estado es un cumulonimbo bien formado y coronado por un yunque. Ahora la nube domina sus alrededores. La subsidencia que rodea a la nube suprime a los cúmulos más pequeños que fueron demasiado lentos en formar sus propios grupos.

El riesgo de que se produzca aparato eléctrico es una razón más poderosa, incluso, para mantenerse lejos de la nube que ha alcanzado este estado. Los experimentos de laboratorio muestran que las colisiones entre partículas de hielo y granizo blando en presencia de agua superenfriada dan como resultado una separación de la carga eléctrica. En el interior de un cumulonimbo las corrientes ascendentes arrastran agua en estado líquido que es superenfriada sobre el nivel de congelación. Las corrientes descendentes transportan cristales de hielo formados en altura. La mezcla turbulenta del hielo y del agua superenfriada en la zona de fuerte gradiente proporciona tiempo suficiente a las partículas de hielo para crecer y transformarse en granizo. (Durante travesías en avión se han encontrado partículas de 3 mm.).  Así las condiciones óptimas para que se generen cargas eléctricas por la colisión de partículas de hielo se dan en esta zona.

Las corrientes ascendentes y descendentes también proporcionan un medio para que se produzca la separación de partículas con carga diferente y para que se cree una gran diferencia de potencial en el interior de la nube. Algunos investigadores han encontrado una gran carga negativa formada a niveles donde la temperatura era de -10º C; la carga positiva creció en el nivel de los -20º C. Aunque los cumulonimbos varían enormemente parece ser que si se asciende sobre el nivel de congelación, hasta la región donde las columnas de ascenso y las descendencias están muy cerca unas de otras, se llega a las proximidades del lugar donde se generan los relámpagos.

Hace unos treinta años los ascensos de veleros en los cumulonimbos eran algo bastante frecuente. Muchos pilotos lograron alcanzar la altura de oro y algunos ganaron algún diamante . En 1.960 Gordon Rondell estableció un récord del Reino Unido de algo más de 29.000 pies. Hubo un accidente fatal y algunos planeadores resultaron dañados. Derk Piggott escribió que un planeador sufrió algunos daños después de ascender sobre los 15.000 pies en un cumulonimbo. Esto pudo ser debido más al granizo que a los rayos. A partir de entonces los pilotos vieron que el vuelo de onda proporciona un medio menos angustioso de lograr sus ascensos Diamante.

Las gotas de lluvia se congelan y forman granizo cuando son elevadas sobre el nivel de congelación. Este granizo blando cae por debajo del nivel de congelación y a él se adhiere una capa superficial de agua. Si cae dentro de una fuerte ascendencia puede volver a subir y completar otra vez el recorrido. Durante este proceso el agua se congela para formar una segunda piel de hielo. Algunas piedras de granizo se rodean con muchas capas de hielo de este modo antes de caer, finalmente, hacia el suelo. Como mejor funciona el proceso es cuando las ascendencias y las descendencias permanecen separadas por un gradiente de viento que curva la columna de ascendencia.

Los cumulonimbos que crecen dentro de un fuerte gradiente vertical de viento a menudo producen las piedras de granizo de mayor tamaño. En Inglaterra algunas tormentas de gran intensidad que se han formado en condiciones de fuerte gradiente han producido piedras de granizo de 7 cm. de diámetro . Tan enormes piedras se forman raramente pero piedras mucho más pequeñas pueden causar grandes daños en el borde de ataque de las alas. Aviones construidos con duro metal han resultado abollados por el granizo y en una nave ligera (que afortunadamente no volaba en ese momento) el entelado de las alas resultó totalmente rasgado.

²  A lo largo de esta serie de artículos Tom Bradbury hace referencia, en varias ocasiones, a la altura de oro (Gold height) y a los diamantes (Diamonds). Ambos parecen ser grados o niveles que un piloto de vuelo sin motor puede lograr en el Reino Unido. Si alguien tiene una idea exacta sobre lo que, uno y otro, pueden ser, me lo diga, por favor.