Introducción
El estudio y comprensión del gradiente adiabático seco es esencial para abordar fenómenos meteorológicos y evaluar la calidad del aire. Este concepto se refiere a la variación de temperatura en una masa de aire que se eleva o desciende verticalmente sin intercambiar calor con su entorno. Su importancia radica en su impacto directo en la distribución vertical de la temperatura en la atmósfera.
En meteorología, el gradiente adiabático seco influye en la formación de nubes, la condensación del vapor de agua y la liberación de calor latente; todos elementos cruciales para entender los patrones climáticos y la formación de sistemas atmosféricos; además, este gradiente desempeña un papel crucial en la predicción del tiempo y la interpretación de eventos meteorológicos locales.
En términos de calidad del aire, comprender el gradiente adiabático seco es vital para evaluar la dispersión de contaminantes atmosféricos. La estabilidad térmica asociada con este gradiente afecta la mezcla vertical de los componentes del aire, influyendo directamente en la concentración y dispersión de contaminantes, y por ende en la calidad del aire que respiramos.
Objetivo
Identificar, con el apoyo de las leyes de la termodinámica, cómo la temperatura y la altura afectan el desplazamiento del aire, con el fin de reconocer los efectos de sus cambios en el clima.
Actividad 1. Punto de partida
Para comenzar, te invitamos a responder las siguientes preguntas sobre la ley general de los gases y la primera ley de la termodinámica, para conocer dónde están tus conocimientos.
Ley del gas ideal y el gradiente adiabático
La comprensión de los gases y su comportamiento bajo diferentes condiciones es fundamental en diversas áreas científicas y tecnológicas. Las leyes de los gases, formuladas por científicos como Avogadro, Boyle, Charles y Gay-Lussac, proporcionan una base sólida para comprender las relaciones entre la presión, la temperatura y el volumen en una masa de gas
La ley del gas ideal, que surge de la combinación de estas leyes, describe de manera precisa el comportamiento de un gas ideal en condiciones específicas (1). Esta ley establece que a una temperatura (T) y cantidad de gas constante (n), la presión (P) y el volumen (V) son inversamente proporcionales; además, indica que, a una presión y cantidad de gas constantes, el volumen y la temperatura son directamente proporcionales.
PV=nRT(1)
Sin embargo, cuando se trata de gases en la atmósfera terrestre, especialmente en el contexto de la meteorología y la climatología, entra en juego otro factor importante: el gradiente adiabático seco. Este concepto describe cómo la temperatura de una masa de aire cambia a medida que se eleva o desciende en la atmósfera sin intercambio de calor con el entorno. En otras palabras, el gradiente adiabático seco es el cambio de temperatura experimentado por una masa de aire, debido únicamente a la expansión o compresión adiabática, es decir, sin intercambio de calor con el entorno externo.
Entender el gradiente adiabático seco es crucial para comprender fenómenos atmosféricos como la formación de nubes, la convección y la estabilidad atmosférica. A partir de los procesos de ascenso y descenso surge la pregunta: ¿El aire al ascender se calienta o se enfría? Además, nos cuestionamos sobre cómo se modifica la temperatura de una masa de aire al cambiar su posición vertical. Para abordar estas interrogantes, es necesario aplicar la primera ley de la termodinámica y la ley general de los gases.
Continuaremos explorando la descripción de los cambios térmicos que ocurren cuando una masa de aire se eleva o desciende en la atmósfera.
Temperatura y cambio de altura
A continuación, revisarás los pasos para obtener la función que relaciona la temperatura con el cambio de altura, lo que permitirá comprender cómo varía la temperatura de una masa de aire en función de su elevación o descenso en la atmósfera, según los principios del gradiente adiabático seco.
Paso 3. La ecuación (2) expresa cómo cambia la temperatura con el cambio de presión. Ahora se requiere que la ecuación (3) relacione la temperatura con la elevación; para ello, se emplea una rebanada de aire, cuyo espesor es dz y con un área A, ya que su peso es el volumen (Adz) por la densidad (ρ) y la aceleración de la gravedad (g):pa= gρAdz:
Este gradiente representa la variación de temperatura que una parcela de aire seco experimentaría al desplazarse verticalmente, ya sea hacia arriba o hacia abajo, en condiciones ideales. Esto implica que la temperatura de la parcela disminuiría aproximadamente 1 °C cuando asciende 100 metros.
Procesos atmosféricos que se explican mediante el gradiente adiabático seco
Cuando el viento fuerza a una masa de aire a subir por una montaña, en la parte superior de ésta se observa la condensación de la humedad del aire. Esto ocurre debido a que tanto la temperatura como la presión disminuyen a medida que el aire asciende, lo que provoca este proceso de condensación.
La disminución de la temperatura está relacionada con el gradiente adiabático seco, que describe cómo la temperatura de una masa de aire cambia mientras se eleva en la atmósfera. En tanto el aire asciende por la montaña, experimenta una expansión adiabática, debido a la disminución de la presión atmosférica. Esta expansión adiabática conlleva un enfriamiento del aire, lo que reduce su temperatura. Cuando la temperatura del aire alcanza su punto de rocío, la humedad presente en el aire se condensa, formando nubes y eventualmente precipitación, si las condiciones son propicias.
Por lo tanto, la condensación de la humedad del aire en la parte superior de una montaña es el resultado de la disminución de la temperatura y la presión atmosférica causada por el ascenso del aire forzado por el viento. Este fenómeno es fundamental para entender la formación de nubes y la precipitación en zonas montañosas.
Los vientos de Santa Ana en algunas regiones son vientos cálidos y secos que descienden por las laderas de las montañas hacia las áreas más bajas y costeras. Estos vientos son característicos en regiones con relieve montañoso, como en algunas partes de California y España.
El comportamiento de los vientos de Santa Ana está estrechamente relacionado con el gradiente adiabático seco. Cuando el aire en las alturas desciende por las laderas de las montañas, experimenta una compresión adiabática, debido al aumento de la presión atmosférica. Este proceso de compresión adiabática conlleva un calentamiento del aire sin intercambio de calor con el entorno, lo que resulta en un aumento de la temperatura del aire a medida que desciende.
Este fenómeno se alinea con los principios del gradiente adiabático seco, que describe cómo la temperatura de una masa de aire cambia a medida que se eleva o desciende en la atmósfera sin intercambio de calor con el entorno. En el caso de los vientos de Santa Ana, el aire se calienta considerablemente mientras desciende por las laderas de las montañas, lo que contribuye a su carácter cálido y seco.
En México, las sierras Madre Oriental y Occidental desempeñan un papel crucial en el proceso de enfriamiento y desecación del aire que proviene de las costas, lo que genera aire cálido y seco en el interior del país. Este fenómeno está estrechamente relacionado con el gradiente adiabático seco y tiene importantes consecuencias para la distribución del clima y las condiciones meteorológicas en la región.
Cuando el aire húmedo proveniente de las costas se ve obligado a ascender sobre las sierras Madre Oriental y Occidental, experimenta un enfriamiento adiabático, debido a la expansión adiabática asociada con el ascenso en altitud. Este enfriamiento conduce a la condensación de la humedad y la formación de precipitación en las laderas orientadas hacia el viento. Como resultado, cuando el aire llega al lado opuesto de las montañas y desciende por las laderas occidentales, experimenta un calentamiento adiabático significativo. Este fenómeno se conoce como efecto Foehn, que es un tipo específico de viento descendente y cálido que se produce en el lado opuesto de una cadena montañosa después de que el aire húmedo ha perdido su humedad en forma de precipitación en el lado del viento. En el caso de México, el aire que desciende por las laderas de las sierras Madre Oriental y Occidental se calienta y deseca, contribuyendo así a la formación de áreas semidesérticas en el interior del país. Por otro lado, en las laderas que dan hacia el mar, se observan bosques de niebla, en donde la humedad del aire se condensa debido al enfriamiento adiabático, al ascender por las laderas de las montañas.
El efecto Foehn es conocido por varios nombres en diferentes regiones del mundo. Algunos de los nombres alternativos son los siguientes:
- Chinook, en América del Norte, especialmente en las Montañas Rocosas
- Bergwind, en Sudáfrica
- Norwester, en Nueva Zelanda
- Zonda, en Argentina
- Helm, en Suiza
- Föhn, en Alemania, Austria y Suiza
- Halny, en Polonia
- Fenómeno del viento blanco, en los Alpes suizos
Estos nombres regionales se refieren a variaciones del mismo fenómeno meteorológico, en el cual el aire desciende por la ladera de una montaña, se calienta adiabáticamente y produce condiciones cálidas y secas en el lado opuesto de la cordillera.
Lluvia y gradiente adiabático
Cuando una masa de aire húmedo asciende en la atmósfera, ya sea debido al calentamiento superficial, el ascenso orográfico sobre una cordillera o cualquier otro mecanismo experimenta una expansión adiabática, debido a la disminución de la presión atmosférica. Este proceso de expansión adiabática conlleva un enfriamiento del aire, lo que puede conducir a la condensación del vapor de agua presente en la masa de aire, formando nubes.
A medida que la masa de aire continúa ascendiendo y enfriándose adiabáticamente, las gotas de agua en las nubes pueden crecer lo suficiente como para caer hacia la superficie en forma de lluvia. Este proceso se conoce como precipitación convectiva y es una de las formas más comunes de lluvia asociada a la convección atmosférica.
Actividad 2. Temperatura y altitud
El gradiente adiabático seco es un concepto fundamental en la meteorología, que describe cómo la temperatura de una masa de aire cambia a medida que se eleva o desciende en la atmósfera, sin intercambio de calor con el entorno. Este fenómeno tiene importantes implicaciones en la formación de fenómenos atmosféricos, como los vientos de Santa Ana en California o el efecto Foehn en Europa, en donde el aire descendente se calienta adiabáticamente, contribuyendo a condiciones cálidas y secas en regiones específicas. Comprender cómo el gradiente adiabático seco afecta la distribución de la temperatura y la humedad en la atmósfera es crucial para interpretar los patrones climáticos y las condiciones meteorológicas locales. A continuación, se presentan algunas preguntas de repaso sobre el tema del gradiente adiabático seco y sus aplicaciones en meteorología.
Autoevaluación. Gradiente adiabático seco y su uso en la compresión de procesos y fenómenos atmosféricos
Conceptos como aire seco, aire húmedo, presión y variación de temperatura, permiten comprender fenómenos atmosféricos que derivan en consecuencias climáticas y condiciones meteorológicas.
Fuentes de información
- Burroughs, W. J. (2002). A guide to weather. Fog City Press.
- García, A. (2016). Protección ambiental del aire. Facultad de Química-UNAM.
- Manahan, S. (2001). Fundamentals of environmental chemistry (2nd ed.). Lewis Publishers.
- Stull, R. (2015). Practical meteorology. An algebra-based survey of atmospheric science. University of British Columbia.
- Wallace, J. M. & Hobbs, P. V. (2006). Atmospheric science: an introductory survey (vol. 92, 2nd ed.). Elsevier.
- Almanza, V. y García, J. A. (2023, octubre-diciembre). A different approach to estimate air moisture [Un enfoque diferente para estimar la humedad del aire]. Educación Química, 34(4). https://doi.org/10.22201/fq.18708404e.2023.4.83628
Básicas
Complementarias
Bibliografía
Documentos electrónicos
Cómo citar
García, J. A. (2024). Gradiente adiabático. Unidades de Apoyo para el Aprendizaje. CUAED/Instituto de Ciencias de la Atmósfera-UNAM. (Vínculo)