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Termodinámica atmosférica

Atmospheric Thermodynamics

Cuando una parcela de aire asciende, la presión a su alrededor baja, se expande y se enfría por sí sola sin intercambiar calor con el entorno; es el enfriamiento adiabático. Mientras el vapor de agua no se condensa, se enfría unos 10 °C por kilómetro, pero en cuanto alcanza su punto de rocío y empiezan a formarse nubes, la condensación libera calor y solo se enfría unos 5 °C por kilómetro. Que la parcela se enfríe más deprisa o más despacio que el aire que la rodea decide si la atmósfera es estable o inestable, y el efecto Foehn, el aire que se calienta al bajar tras cruzar una montaña, funciona igual. En el primer diagrama, al cambiar la temperatura en superficie cambia la altura de la base de las nubes, y en el segundo, al cambiar el gradiente del entorno cambia la estabilidad de la atmósfera.

¿Por qué hace más frío al subir una montaña?

💡 Cambio adiabático
①Cuando una parcela de aire de superficie sube por una montaña, la presión a su alrededor baja con la altura
②Con menos presión encima, la parcela se expande, y como gasta su propia energía en empujar el aire de fuera, su temperatura baja
③Un cambio de temperatura debido a un cambio de volumen, sin intercambio de calor con el entorno, es un cambio adiabático
④Cuando la parcela baja ocurre lo contrario: se comprime y se calienta (compresión adiabática)

¿Dónde se forman las nubes?

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☁️ Cómo se forman las nubes
①Una parcela que asciende encuentra menos presión, se expande y se enfría
②Antes de que se condense el vapor, se enfría al gradiente adiabático seco, unos 10 °C por kilómetro
③Su punto de rocío también baja unos 2 °C por kilómetro, así que temperatura y punto de rocío se acercan 8 °C por kilómetro
④La condensación empieza donde se igualan, y esa altura es la base de las nubes, unos 125 × (temperatura en superficie − punto de rocío en superficie) m
⑤Por encima, la condensación libera calor y la parcela se enfría al gradiente adiabático húmedo, solo unos 5 °C por kilómetro

Estabilidad atmosférica

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Absolutamente inestable
Γamb > Γseco (unos 10 °C/km)
La parcela que sube sigue más caliente que su entorno y continúa subiendo, así que la convección es intensa.
Absolutamente estable
Γamb < Γhúmedo (unos 5 °C/km)
La parcela que sube queda más fría que su entorno y tiende a bajar, así que la convección se frena.
📐 Estabilidad y nubes
①En una atmósfera inestable el aire sigue subiendo, crecen nubes cumuliformes (cúmulos y cumulonimbos) y caen chubascos o tormentas
②En una atmósfera estable al aire le cuesta subir, y se forman nubes estratiformes o niebla
③Si el gradiente del entorno está entre el húmedo y el seco, la atmósfera es condicionalmente inestable: estable para el aire no saturado e inestable para el saturado
④Por eso los meteorólogos miran a la vez el gradiente térmico y la humedad para decidir si habrá chubascos y tormentas

El efecto Foehn

🏔️ Un viento cálido y seco al otro lado de la montaña
①En la ladera de barlovento, aire a 20 °C sube por la pendiente y se enfría 10 °C por kilómetro, de modo que a 1 km alcanza su punto de rocío y forma nubes (10 °C)
②Por encima se enfría al gradiente húmedo y llega a 5 °C en la cima de 2 km, perdiendo vapor en forma de lluvia por el camino
③Al bajar por el otro lado, el aire, ya seco, se calienta 10 °C por kilómetro durante 2 km y llega a 25 °C
④Así, al otro lado sopla un viento 5 °C más cálido y mucho más seco que al principio; en la península de Corea, el viento nopsae, que a finales de primavera y principios de verano sopla hacia la vertiente oeste de las montañas, es un ejemplo conocido

Ejemplos y examen

Ejemplo 1
Una parcela no saturada sube 2 km. ¿Cuántos grados baja aproximadamente su temperatura? (gradiente adiabático seco de unos 10 °C/km)
1
Cambio de temperatura = gradiente × altura ascendida.
2
10 °C/km × 2 km = 20 °C, así que se enfría unos 20 °C.
▸ unos 20 °C
Si la condensación empieza por el camino, por encima de ese punto solo se enfría unos 5 °C por kilómetro. En el primer diagrama, el aire que sale a 25 °C se enfría 15 °C hasta 1,5 km y solo 2,5 °C más en los 0,5 km siguientes, hasta 7,5 °C a 2 km.
Ejemplo 2
El aire que rodea tiene un gradiente térmico de 12 °C/km. Con un gradiente adiabático seco de 10 °C/km, ¿es esta atmósfera estable o inestable para el aire no saturado?
1
Una parcela que sube 1 km se enfría 10 °C, pero el aire de alrededor a esa altura está 12 °C más frío que en superficie, así que la parcela queda 2 °C más caliente que su entorno.
2
Una parcela más caliente que su entorno es más ligera y sigue subiendo, así que la atmósfera es inestable, la convección es intensa y crecen nubes cumuliformes.
▸ inestable (entorno 12 °C/km > adiabático seco 10 °C/km)
Con el gradiente del entorno en 12 en el segundo diagrama, la parcela a 1 km aparece más caliente que su entorno. Cuanto mayor es el gradiente del entorno, menos estable es la atmósfera.
Problema tipo CSAT
¿Qué afirmación sobre los cambios adiabáticos y la estabilidad atmosférica es correcta?
①El gradiente adiabático seco es menor que el húmedo
②El aire que asciende se expande adiabáticamente y se enfría
③Si el gradiente del entorno es menor que el adiabático, la atmósfera es inestable
④El vapor de agua absorbe calor latente al condensarse
⑤En una atmósfera estable se desarrollan fácilmente nubes cumuliformes
▸ ② El aire que asciende se expande adiabáticamente y se enfría
1
El aire que asciende encuentra menos presión, se expande y se enfría por sí solo sin intercambiar calor con el entorno (enfriamiento adiabático).
2
El gradiente seco (unos 10 °C/km) es mayor que el húmedo (unos 5 °C/km) (①), cuanto menor es el gradiente del entorno más estable es la atmósfera (③), el vapor libera calor latente al condensarse (④) y las nubes cumuliformes crecen en aire inestable (⑤).

Resumen

Cifras clave
adiabático seco ≈ 10 °C/km | adiabático húmedo ≈ 5 °C/km | punto de rocío ≈ 2 °C/km
Lo rápido que se enfría una parcela depende de si el vapor se condensa, y la altura de la base de las nubes se estima con 125 × (T − Td) m.
🎯 Puntos clave
①El gradiente adiabático seco es de unos 10 °C/km y el húmedo, de unos 5 °C/km
②Si el gradiente del entorno supera al adiabático seco, la atmósfera es absolutamente inestable; si es menor que el húmedo, absolutamente estable
③Si el gradiente del entorno está entre los dos adiabáticos, la atmósfera es condicionalmente inestable
④El nivel de condensación por ascenso (base de las nubes) está a unos 125 × (temperatura en superficie − punto de rocío en superficie) m
⑤El aire inestable favorece nubes cumuliformes y chubascos, y el estable, nubes estratiformes y niebla
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