7.3: Cambio adiabático de temperatura y estabilidad

En “La Atmósfera” descubrimos que la temperatura del aire suele disminuir con un incremento en la elevación a través de la troposfera. La disminución de la temperatura con elevación se denomina tasa de lapso ambiental de temperatura o tasa de lapso normal de temperatura. Recordemos que la tasa de lapso normal de temperatura es la tasa promedio de lapso de temperatura de .65 ^o C/100 metros. La tasa de lapso ambiental de temperatura es el cambio vertical real en la temperatura en un día determinado y puede ser mayor o menor que .65 ^o C/100 metros. También recordemos que la disminución de la temperatura con la altura es causada por el aumento de la distancia desde la fuente de energía que calienta el aire, la superficie de la Tierra. El aire es más cálido cerca de la superficie porque está más cerca de su fuente de calor. Cuanto más lejos de la superficie, más frío estará el aire. Es como estar al lado de un fuego, cuanto más cerca estés, más cálido te sentirás. El cambio de temperatura causado por un intercambio de calor entre dos cuerpos se denomina cambio de temperatura diabático. Hay otra manera muy importante de cambiar la temperatura del aire llamada cambio adiabático de temperatura.

El cambio adiabático de temperatura del aire ocurre sin la adición o eliminación de energía. Es decir, no hay intercambio de calor con el ambiente circundante para provocar el enfriamiento o calentamiento del aire. El cambio de temperatura se debe al trabajo realizado en una parcela de aire por el ambiente externo, o al trabajo realizado por una parcela de aire en el aire que la rodea. ¿Qué tipo de trabajo se puede hacer? El trabajo que se realiza es la expansión o compresión del aire.

Imagínese una parcela aislada de aire que se mueve verticalmente a través de la troposfera. Sabemos que la presión del aire disminuye con el aumento de la elevación. A medida que la parcela de aire se mueve hacia arriba, la presión ejercida sobre la parcela disminuye y la parcela se expande en volumen como resultado. Para poder expandirse (es decir, hacer trabajo), la parcela debe utilizar su energía interna para hacerlo. A medida que el aire se expande, las moléculas se dispersan y finalmente chocan menos entre sí. El trabajo de expansión hace que la temperatura del aire disminuya. Es posible que hayas tenido experiencia personal con este tipo de refrigeración si has dejado salir el aire de una llanta de automóvil o bicicleta. El aire dentro de la llanta está bajo una gran presión y, a medida que se precipita afuera, se mueve hacia un ambiente de menor presión. Al hacerlo, la parcela se expande rápidamente contra el aire del ambiente exterior. Al colocar la mano frente al vástago de la válvula, puede sentir el aire fresco a medida que se expande. Esto se llama enfriamiento adiabático.

A medida que el aire desciende a través de la troposfera experimenta una presión atmosférica creciente. Esto hace que el volumen de la parcela disminuya de tamaño, apretando las moléculas de aire más juntas. En este caso, se está trabajando en la paquetería. A medida que el volumen se encoge, las moléculas de aire rebotan entre sí más a menudo rebotan con mayor velocidad. El incremento en el movimiento molecular provoca un incremento en la temperatura de la parcela. Este proceso se conoce como calentamiento adiabático.

La velocidad a la que el aire se enfría o calienta depende del estado de humedad del aire. Si el aire está seco, la tasa de cambio de temperatura es de 1 ^o C/100 metros y se llama tasa adiabática seca (DAR). Si el aire está saturado, la tasa de cambio de temperatura es de .6 ^o C/100 metros y se denomina tasa adiabática saturada (SAR). El DAR es un valor constante, es decir, siempre es de 1 ^o C/100 metros. El SAR varía un poco con la cantidad de humedad que hay en el aire, pero vamos a suponer que aquí es un valor constante. La razón de la diferencia en las dos tasas se debe a la liberación de calor latente como resultado de la condensación. A medida que el aire saturado sube y se enfría, se produce condensación. Recordemos que a medida que el vapor de agua se condensa, se libera calor latente. Este calor se transfiere a las otras moléculas de aire dentro de la parcela provocando una reducción en la velocidad de enfriamiento.

Estabilidad del aire

El cambio adiabático de temperatura es un factor importante para determinar la estabilidad del aire. Podemos pensar en la estabilidad del aire como la tendencia de que el aire suba o caiga a través de la atmósfera bajo su propio “poder”. El aire estable tiene tendencia a resistir el movimiento. Por otro lado, el aire inestable se elevará fácilmente. ¿Qué le da al aire “poder” para levantarse? La tendencia del aire a subir o bajar depende de las tasas de caída adiabática y ambiental.

Aire estable

Figura\(\PageIndex{1}\): Condiciones atmosféricas estables

Las condiciones atmosféricas estables prevalecen cuando la tasa de lapso ambiental es menor que la tasa adiabática saturada. Un ejemplo de esta condición se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\). En la superficie (0 metros) tanto la parcela de aire (línea roja) como el aire del ambiente circundante (línea azul) tienen la misma temperatura. El aire circundante está cambiando su temperatura a una velocidad de .65 ^o C/100 metros. El paquete en este día es “seco” y se elevará y enfriará a una temperatura de 1 ^o C/100 metros. Después de darle a la parcela un ligero empuje hacia arriba, se eleva a un nivel de 1000 metros donde se enfría a una temperatura de 20 ^o C. Una medición del aire que rodea la parcela muestra una temperatura de 23.5 ^o C. En otras palabras, la parcela es más fría (y más densa) que el aire circundante a 1000 metros. Si cesara el mecanismo de elevación, la parcela de aire volvería a la superficie.

Figura\(\PageIndex{2}\): Condiciones atmosféricas inestables

Aire inestable

El aire es inestable cuando la tasa de lapso ambiental es mayor que la tasa adiabática seca. En estas condiciones, una parcela ascendente de aire es más cálida y menos densa que el aire que la rodea a cualquier elevación dada. La figura\(\PageIndex{2}\) representa condiciones inestables. Dar seguimiento a la gráfica de la parcela ascendente de aire. Tenga en cuenta que a cualquier elevación por encima de la superficie la temperatura de la parcela es mayor que el aire que la rodea. Aun cuando alcanza la temperatura del punto de rocío a 2000 metros, el aire permanece más cálido que el aire circundante. Como resultado sigue subiendo y enfriándose a la tasa adiabática saturada. Es probable que las nubes desarrolladas verticalmente se desarrollen en condiciones inestables como esta.

Verificación de concepto\(\PageIndex{1}\)

Según la gráfica anterior, ¿el aire es absolutamente estable en la letra A, B, C o D?

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