¿Qué hace que el vapor de agua del aire se convierta en partículas líquidas o sólidas que puedan caer a la Tierra? La respuesta es que el aire se enfría de forma natural. Cuando el aire se enfría hasta el punto de rocío, el aire se satura de agua. Piensa en extraer agua de una esponja húmeda. Para liberar el agua, hay que estrujar la esponja, es decir, reducir su capacidad de retener agua. En la atmósfera, enfriar el aire más allá del punto de rocío es como apretar la esponja: reduce la cantidad de vapor de agua que el aire puede contener, obligando a algunas moléculas de vapor de agua a cambiar de estado para formar gotas de agua o cristales de hielo.
Un mecanismo para enfriar el aire es el enfriamiento nocturno. En una noche despejada, la superficie del suelo puede enfriarse bastante al perder la radiación de onda larga. Si el aire está húmedo, puede depositarse escarcha a medida que el vapor de agua forma cristales de hielo. Sin embargo, este enfriamiento no es suficiente para formar precipitaciones. La precipitación sólo se forma cuando una masa importante de aire experimenta un descenso constante de la temperatura por debajo del punto de rocío. Esto ocurre cuando una parcela de aire se eleva a niveles cada vez más altos en la atmósfera.
Tasa ADIABÁTICA SECA
Si alguna vez ha inflado un neumático de bicicleta con una bomba manual, habrá notado que la bomba se calienta. Si es así, has observado el principio adiabático. Esta importante ley establece que si no se añade energía a un gas, su temperatura aumentará a medida que se comprima. Al bombear enérgicamente, comprimiendo el aire, la bomba metálica de la bicicleta se calienta. A la inversa, cuando un gas se expande, su temperatura desciende por el mismo principio. Los físicos utilizan el término proceso adiabático para referirse a un proceso de calentamiento o enfriamiento que se produce únicamente como resultado del cambio de presión, sin que el calor fluya hacia o desde un volumen de aire.
¿Cómo se relaciona el principio adiabático con la elevación del aire y con las precipitaciones? El eslabón perdido es simplemente que la presión atmosférica disminuye a medida que aumenta la altitud. Cuando una parcela de aire se eleva, la presión atmosférica sobre la parcela disminuye y el aire se expande y se enfría, como se muestra en la figura 4.9. A medida que una parcela de aire desciende, la presión atmosférica se hace más alta, y el aire se comprime y se calienta.
Describimos este comportamiento en la atmósfera utilizando el índice de lapso adiabático seco, como se muestra en la parte inferior de la Figura 4.10. Se aplica a una parcela de aire ascendente que aún no se ha enfriado hasta la saturación. El índice de lapso adiabático seco tiene un valor de aproximadamente 10°C por cada 1000 m (5,5°F por 1000 pies) de ascenso vertical. Es decir, si una parcela de aire se eleva 1 km, su temperatura descenderá 10°C. A la inversa, una parcela de aire que descienda se calentará 10°C por cada 1000 m. Esta es la tasa seca porque no se produce condensación durante este proceso.
Hay una diferencia importante a tener en cuenta entre la tasa de lapso adiabático seco y la tasa de lapso de temperatura ambiental. La tasa de lapso ambiental es simplemente una expresión de cómo varía la temperatura del aire quieto con la altitud. Esta tasa variará de un tiempo a otro y de un lugar a otro, dependiendo del estado de la atmósfera. Es muy diferente de la tasa de lapso adiabático seco. El coeficiente de dilución adiabático seco se aplica a una masa de aire que se mueve verticalmente. No varía con el tiempo y el lugar, y está determinada por las leyes físicas, no por el estado atmosférico local.
Tasa adiabática seca
Continuemos examinando el destino de una parcela de aire que se mueve hacia arriba en la atmósfera (Figura 4.10). A medida que la parcela se mueve hacia arriba, su temperatura desciende a la tasa adiabática seca, 10°C/1000 m (5,5°F/1000 pies). Sin embargo, observe que la temperatura del punto de rocío cambia ligeramente con la elevación. En lugar de permanecer constante, desciende a la tasa de lapso del punto de rocío de 1,8°C/1000 m (1,0°F/1000 pies).
A medida que el proceso de ascenso continúa, el aire se enfría finalmente hasta su temperatura del punto de rocío, y comienza a producirse la condensación. Esto se muestra en la figura 4.10 como el nivel de condensación de elevación. El nivel de condensación por elevación viene determinado, por tanto, por la temperatura inicial del aire y su punto de rocío inicial
y puede diferir del ejemplo mostrado aquí. Si la parcela de aire saturado sigue ascendiendo, entra en vigor un nuevo principio: la liberación de calor latente.
Es decir, cuando se produce la condensación, las moléculas de agua que se condensan liberan calor latente y calientan las moléculas de aire circundantes.
En otras palabras, se producen dos efectos a la vez. En primer lugar, el aire elevado se enfría por la reducción de la presión atmosférica. En segundo lugar, se está calentando por la liberación de calor latente de la condensación.
¿Qué efecto es más fuerte? Resulta que el efecto de enfriamiento es más fuerte, por lo que el aire seguirá enfriándose a medida que se eleve. Sin embargo, debido a la liberación de calor latente, el enfriamiento se producirá a una velocidad menor. Esta tasa de enfriamiento para el aire saturado se denomina tasa de lapso adiabático húmedo y oscila entre 4 y 9°C por 1000 m (2,2-4,9°F por 1000 pies). A diferencia de la tasa de lapso adiabático seco, que permanece constante, la tasa de lapso adiabático húmedo es variable porque depende de la temperatura y la presión del aire y de su contenido de humedad. Sin embargo, para la mayoría de las situaciones, podemos utilizar un valor de 5°C/1000 m (2,7°F/1000 pies). En la figura 4.10, la tasa adiabática húmeda se muestra como una línea ligeramente curvada para indicar que su valor cambia con la altitud.
Tenga en cuenta que a medida que la parcela de aire se satura y sigue subiendo, se produce la condensación. Esta condensación produce gotas de líquido y partículas de hielo sólido que forman nubes y finalmente precipitaciones.