5.2: Controles sobre la temperatura del aire
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La temperatura es una medida del contenido de calor de un cuerpo. Es una medida de la velocidad promedio del movimiento aleatorio de moléculas que comprenden una sustancia. La temperatura del aire en cualquier lugar está determinada por (1) la radiación y las transferencias de calor entre la superficie y el aire de arriba, (2) la ubicación relativa a una gran masa de agua, y (3) el movimiento de vastas charcas de aire llamadas masas de aire.
Radiación, calor sensible y temperatura
La temperatura del aire en un lugar está determinada por el intercambio de energía radiante entre el Sol, la Tierra y su atmósfera. La radiación solar es la principal fuente de energía para calentar la superficie. La radiación solar de onda corta penetra fácilmente a la superficie sin mucha absorción por los gases que componen la atmósfera. A medida que el sol calienta la superficie durante el día, la tierra se calienta y aumenta su producción de radiación infrarroja, o de onda larga. Los gases de la atmósfera, al ser relativamente buenos absorbentes de la radiación de onda larga, se calientan y experimentan un aumento de temperatura. Así, la fuente inmediata de energía para calentar el aire es la superficie de la tierra. El ciclo diario de radiación y temperatura del aire se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\).
La radiación solar aumenta después del amanecer hasta un máximo al mediodía y luego disminuye a un mínimo al atardecer. La radiación saliente aumenta después del amanecer pero va un poco por detrás de la curva de insolación. El gráfico para la temperatura del aire sigue el mismo patrón que el de la radiación saliente. Esto debería parecer razonable ya que es la absorción de la energía saliente de la superficie lo que determina la temperatura del aire. La cantidad de tiempo entre la máxima energía entrante y la temperatura máxima a lo largo del día se conoce como el retraso de temperatura diario.
Un tipo similar de rezago ocurre anualmente. El rezago estacional de la temperatura es la cantidad de tiempo entre la insolación entrante más alta y la temperatura más alta sobre una base anual. Por ejemplo, en las latitudes medias el ángulo más alto que hace el sol con la superficie, y así el calentamiento más intenso, ocurre alrededor del 22 de junio. No es hasta aproximadamente un mes después que ocurren las temperaturas más altas. El rezago suele ser más largo cerca de un gran cuerpo de agua como los Grandes Lagos o el océano. Un retraso de temperatura de dos meses no es infrecuente para lugares ubicados cerca de grandes masas de agua.
Las nubes tienen un impacto en el balance de radiación y la temperatura del aire de un lugar. Las nubes pueden bloquear la radiación solar entrante por reflejo de sus cimas. Las nubes también actúan para difundir la luz a medida que penetra hacia la superficie. Ambos actuarían para enfriar el ambiente. Las nubes y el vapor de agua también son buenos absorbentes de la radiación de onda larga emitida por la superficie terrestre. Probablemente te hayas dado cuenta de que las noches más cálidas suelen ser cuando tenemos una pesada capa de nubes. Estas nubes absorben la radiación emitida por la tierra y la irradian de nuevo hacia la superficie terrestre, calentando el aire. Las noches más frías ocurren en condiciones sin nubes. La falta de nubes en el desierto crea grandes rangos de temperatura diarios. Durante el día, la luz solar llega a la superficie de la tierra calentándola a temperaturas muy altas. Como resultado, las temperaturas del aire cerca de la superficie son muy altas. Por la noche, la ausencia de nubes permite que la radiación de onda larga emitida escape al espacio haciendo que la superficie se enfríe y que el aire de arriba también lo haga.
La atmósfera también se calienta por el intercambio de calor sensible entre la superficie y el aire de arriba. El calor sensible se transfiere al aire por conducción y convección. El calor se mueve de manera más eficiente por remolinos turbulentos o remolinos de aire que se mueven verticalmente. La transferencia inicial se debe a la presencia de un gradiente de temperatura entre la superficie y el aire. Si la superficie de la tierra es más cálida que el aire de arriba, el calor se transferirá hacia arriba elevando la temperatura del aire. Si el aire es más cálido que la superficie, el calor se transferirá hacia la superficie, enfriando así el aire. El retraso de la temperatura detrás de la radiación entrante también es el resultado del tiempo que tarda en que el calor sensible se transfiera hacia arriba.
Temperatura del aire, cuerpos de agua y continentalidad
La temperatura del aire se ve muy afectada por la ubicación de un lugar relativo a una gran masa de agua. El impacto de la ubicación continental en las características meteorológicas y climáticas de un lugar se denomina "continentalidad”. La temperatura del aire cerca o sobre cuerpos de agua es muy diferente de la de la tierra debido a las diferencias en la forma en que el agua y la tierra calientan y enfrían. Las propiedades que afectan la temperatura del agua son:
- Transparencia
- Asignación de Q*
- Capacidad para circular
- Calor específico
Explore cómo cada una de estas propiedades afecta la temperatura del aire haciendo clic en los botones a continuación.
Temperatura del aire y movimiento de la masa de aire
Si la radiación fuera la única causa de temperatura en un lugar, el ciclo diario y estacional de temperatura sería muy regular y exhibiría el patrón temporal discutido anteriormente. El movimiento de grandes masas de aire a través de la superficie puede cambiar drásticamente todo esto. El movimiento de una masa de aire muy fría hacia una región puede bajar las temperaturas durante el día cuando esperamos las temperaturas más altas. O si una masa de aire caliente fluía sobre nosotros por la noche, podríamos experimentar la temperatura más alta de las últimas 24 horas durante las horas de la tarde en lugar de durante el día.
Una masa de aire es un vasto charco de aire, que abarca miles de kilómetros cuadrados, teniendo aproximadamente las mismas características de humedad y temperatura en su extensión horizontal. Las masas de aire se clasifican en función de la temperatura y humedad en su región de origen. Las fuentes de masas de aire pueden ser oceánicas o continentales. Las que son oceánicas tienden a estar húmedas mientras que las masas de aire continentales suelen ser secas. Latitudinalmente, se forman masas de aire cerca del ecuador, en las zonas subtropicales, regiones “polares” y el Ártico y Antártico. La mayoría de la gente piensa en las regiones polares como las que se encuentran en el polo. Para las masas de aire, la región de origen polar es aproximadamente 60 grados de latitud norte o sur. Combinando el tipo de superficie y latitud derivamos una clasificación para los diferentes tipos de masas de aire. Algunos se enumeran a continuación y su origen geográfico se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\). Trataremos con las masas de aire con más detalle cuando investiguemos los sistemas meteorológicos.
- Marítimo Tropical (mT)
- Se origina sobre los océanos tropicales
- Cálido y húmedo
- Continental Polar (cP)
- Se origina en continentes de alta latitud (aproximadamente 60 grados al norte)
- Frío y seco
- Polar Marítimo (mP)
- Se origina en océanos de latitudes medias a altas.
- Fresco y húmedo
Influencia de las masas de aire sobre la temperatura en un lugar.
La influencia que las masas de aire tienen sobre la temperatura de un lugar depende de la ubicación con respecto a la fuente de la masa de aire y la trayectoria de la masa de aire a medida que se mueve desde su región de origen. Por ejemplo, si uno se encuentra en el corazón de una región de fuente de masa de aire, su clima será bastante uniforme durante todo el año. Si viviste en el centro norte de Canadá estás ubicado en el corazón de la masa aérea polar continental (cP). Se debe esperar que la temperatura sea fría a fría, y la humedad relativamente baja durante gran parte del año. Sin embargo, si vives en el centro de Illinois, experimentarás una variación mucho mayor en la temperatura porque estás en la zona límite entre varias masas de aire diferentes. Dos masas de aire en particular influyen en esta región, cP y mT. El aire cP aporta un clima fresco y seco, mientras que el aire mT es responsable de las condiciones húmedas y cálidas. Cuando estas masas de aire chocan, se generan tormentas.
Inversiones
En circunstancias normales, la temperatura del aire tiende a disminuir al aumentar la elevación por encima de la superficie a través de la troposfera. Bajo condiciones particulares, la tasa de lapso de temperatura se invierte y las temperaturas aumentan con el aumento de la elevación creando una inversión o tasa de lapso invertido de temperatura.
Una inversión de radiación ocurre comúnmente cuando el aire de la tarde está quieto y no hay nubes para atrapar el calor. La temperatura superficial baja a medida que la radiación de onda larga emitida por la Tierra escapa al espacio. El aire en contacto con la superficie se enfría, pero que a una mayor elevación y no en contacto directo con la tierra permanece algo más cálido creando la inversión. El aire frío se acumulará en las depresiones a medida que aumenta la densidad del aire y la gravedad lo tira hacia abajo.
Las inversiones de brisa marina ocurren a lo largo de las costas de barlovento bordeadas por corrientes frías del océano. La capa inferior de una masa de aire marítimo caliente que se origina sobre el océano se vuelve más fría al entrar en contacto con el agua más fría que bordea la costa. Esto crea aire más frío cerca de la superficie con aire más cálido en lo alto.
Las áreas dominadas por la alta presión también están sujetas a inversiones. Las inversiones de hundimiento se forman cuando el aire hundido se somete a calentamiento adiabático en lo alto, mientras que el aire en contacto con la superficie permanece más frío. Las inversiones de subsidencia y subsidencia en asociación con alta presión se discuten en el Capítulo 6.