Por qué menos temperatura a gran altura

Question

Por qué siempre hace frío en las alturas, por ejemplo, en la cima de las montañas. También a medida que subimos desde el nivel del mar, la temperatura empieza a disminuir. ¿Por qué es así?

Answer 1

Crazy Buddy tiene mucha razón en que es porque el gas se expande y se enfría al subir, pero hay algo más.

Para que algo se caliente debe absorber la radiación EM, o debe ser calentado por algún objeto caliente con el que esté en contacto. El aire no absorbe la luz, por lo que no puede ser calentado directamente por la luz solar. En su lugar, la luz solar atraviesa el aire y calienta el suelo, y el suelo calienta el aire.

La expansión se produce porque el aire caliente que se calienta en el suelo sube. Sin embargo, al subir, su volumen aumenta y, por tanto, su temperatura disminuye. Por lo tanto, la disminución de la temperatura con la altura se debe efectivamente a la expansión, pero sólo es así porque el aire es calentado desde abajo por el suelo.

Si el aire absorbiera directamente la luz, se calentaría independientemente del suelo y no veríamos la misma variación de temperatura con la altura. De hecho, este efecto se produce exactamente en el estratosfera . En la parte superior de la estratosfera las moléculas de ozono absorben la luz ultravioleta y se calientan, y en la estratosfera la temperatura aumenta con la altura en lugar de disminuir.

Answer 2

Me gustaría añadir algo a las respuestas ya dadas. Efectivamente, la atmósfera es transparente a la radiación de onda corta del Sol, pero absorbe gran parte de la radiación de onda larga de la Tierra; por eso tenemos el efecto invernadero, por eso la Tierra tiene un clima habitable y por eso, en parte, tenemos la tasa de lapso que observamos. Pero, ¿por qué hace más frío en la meseta tibetana, que es una zona grande y plana a unos 4 km de altura? ¿No estamos tan cerca de la superficie local como cuando estamos al nivel del mar?

Supongamos que la meseta tibetana recibe la misma intensidad de radiación solar que las zonas más bajas a la misma latitud. En realidad, probablemente recibe más debido al clima seco. Entonces debería calentarse más, ¿no? Pero no es así. Se puede considerar que el sistema Tierra-Atmósfera se encuentra en un Equilibrio Radiativo-Convectivo local (véase el diagrama de Kevin Trenberth más abajo). Esto significa que los flujos de energía "hacia dentro" y "hacia fuera" se anulan por el transporte de energía debido a la radiación y la convección. En otras palabras: lo que entra, debe salir (esto no es realmente cierto a nivel local, porque hay patrones de flujo a gran escala conocidos como viento). Ahora bien, la superficie de la Tierra emite radiación en función de su temperatura con $P = \epsilon \sigma T^4$ . Una parte de esta radiación es abortada por los gases de efecto invernadero (o nubes) de la atmósfera: vapor de agua, dióxido de carbono, metano y otros. A continuación, la atmósfera se calienta y vuelve a irradiar según $P = \epsilon \sigma T^4$ Una parte de esta radiación va al espacio y otra a la superficie. Los gases de efecto invernadero mantienen la superficie de la Tierra caliente como una manta.

Ahora bien, en la meseta tibetana, la atmósfera es mucho menos densa, porque la elevación es muy alta. Por lo tanto, la radiación emitida por la superficie no se absorbe mucho, sino que sale directamente al espacio. Esto significa que la superficie se enfría. Volviendo a la analogía de la manta: El Tíbet tiene una manta mucho más fina que las elevaciones más bajas.

Ahora bien, he hecho una serie de severas simplificaciones, porque en realidad depende del día/noche, de las nubes, del flujo atmosférico como el viento, de la humedad y de otros factores. Pero mientras que la explicación dada por otros explica por qué hace más frío a mayor altura en el atmósfera libre Creo que eso no explica realmente por qué hace más frío en la meseta tibetana.

Answer 3

Esta es una pregunta muy antigua, pero ninguna de las respuestas aborda plenamente la cuestión. Enmarcaré mi respuesta en términos de respuestas a una serie de preguntas:

• ¿Cuánto varía la temperatura con la altitud?
• ¿Por qué varía la presión con la altitud?
• ¿Por qué la temperatura varía con la altitud?
• ¿Y la segunda ley de la termodinámica?
• ¿Por qué la meseta tibetana tan frío ¿tan caliente?

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¿Cuánto varía la temperatura con la altitud?
La respuesta es bastante. El siguiente gráfico que representa los comportamientos medios de la temperatura en función de la altitud:

Imagen por cortesía de Nick Strobel en www.astronomynotes.com .

A partir de la superficie, la temperatura tiende a descender linealmente con la altitud en la troposfera, invierte el sentido en la tropopausa y aumenta con la altitud en la estratosfera, vuelve a invertir el sentido en la estratopausa y disminuye y en la mesosfera, y finalmente vuelve a invertir el sentido en la mesopausa y aumenta en la termosfera. En el gráfico anterior se explican brevemente las regiones en las que la temperatura aumenta con el incremento de la altitud. También da una pista de por qué la temperatura disminuye en la troposfera, el invernadero y la convección. El resto de esta respuesta se centra en esas variaciones de la temperatura troposférica.

¿Por qué varía la presión con la altitud?
El gradiente de presión atmosférica es uno de los principales impulsores del gradiente de temperatura troposférico. Antes de comprender por qué la temperatura varía con la altitud, es importante entender por qué la presión varía con la altitud. A cualquier altitud, la presión atmosférica debe soportar más o menos el peso del aire que está por encima de esa altitud. Matemáticamente, esto puede expresarse como equilibrio hidrostático condición $dp/dz = -\rho g$ , donde $p$ , $\rho$ y $g$ son la presión, la densidad y la aceleración gravitatoria en la altitud $z$ . Esto significaría un decaimiento exponencial de la presión si la temperatura fuera constante. El decaimiento es más rápido que el exponencial en las regiones donde la temperatura disminuye con la altitud, pero más lento que el exponencial en las regiones donde la temperatura aumenta con la altitud.

¿Por qué la temperatura varía con la altitud?
El gráfico anterior aporta dos razones: la convección y el efecto invernadero. Un paquete de aire calentado por la superficie comenzará a subir cuando la temperatura del paquete supere la del aire circundante. Este paquete de aire ascendente se enfriará adiabáticamente a medida que se eleve. Suponiendo que (1) la atmósfera está equilibrada hidrostáticamente, (2) la parcela ascendente actúa como un gas ideal y (3) la parcela ascendente está más o menos aislada térmicamente, la temperatura de la parcela descenderá linealmente con el aumento de la altitud. La velocidad a la que se produce este enfriamiento es la adiabática seca tasa de caducidad . El paquete seguirá subiendo mientras la temperatura del paquete siga siendo superior a la del aire circundante. La humedad relativa dentro de la parcela aumentará a medida que la parcela siga subiendo. El agua empezará a condensarse una vez que el paquete se enfríe hasta la punto de rocío . Esta condensación proporciona calor al paquete ascendente. Esto no es suficiente para contrarrestar completamente el enfriamiento debido al ascenso. El coeficiente de dilatación cae a un nuevo valor, el coeficiente de dilatación adiabático húmedo. Una vez más, la parcela sigue subiendo mientras la temperatura de la parcela se mantenga por encima de la del aire circundante.

Hay otros dos índices de lapso más importantes, el índice de lapso atmosférico y el índice de lapso ambiental. Los índices de lapso adiabático están dictados únicamente por las leyes de los gases y el equilibrio hidrostático de la atmósfera. El índice de lapso atmosférico es la velocidad a la que la temperatura desciende realmente con el aumento de la atmósfera. Puede ser lineal o no, y puede coincidir o no con los coeficientes de retraso adiabático. Si la atmósfera se enfría más rápidamente con la altitud que las parcelas de aire ascendentes, esas parcelas subirán a la parte superior de la troposfera. La inversión de temperatura en la tropopausa constituye una barrera muy fuerte para las parcelas de aire ascendentes. Las parcelas ascendentes dejarán de subir dentro de la troposfera si la tasa de lapso atmosférico es inferior a la adiabática. Por último, la tasa de lapso ambiental es el valor medio observado de la tasa de lapso atmosférico, con la media tomada a lo largo del tiempo y en todo el mundo. Este es el perfil representado en el gráfico anterior.

Esta transferencia de calor por convección es uno de los dos mecanismos clave por los que el calor se transfiere desde el fondo de la atmósfera a niveles superiores. El otro mecanismo es el efecto invernadero. Mientras que nuestra atmósfera es más o menos transparente en las longitudes de onda visibles, es más o menos opaca en el infrarrojo térmico. El vapor de agua, el dióxido de carbono y el metano son los principales gases de efecto invernadero que provocan este calentamiento. Al igual que utilizamos mantas en invierno para mantenernos calientes por la noche, esos gases de efecto invernadero actúan como una manta para frenar la transferencia de la radiación térmica desde la superficie calentada por la luz solar hasta la negrura del espacio. La convección domina sobre la transferencia de calor por radiación, si la convección es posible. Los gases de efecto invernadero y la transferencia de calor por radiación resultante es lo que hace que se den las condiciones adecuadas para que se produzca la convección.

¿Y la segunda ley de la termodinámica?
Una atmósfera de temperatura uniforme maximizaría la entropía de la atmósfera. Cualquier desviación representa una desviación de esa entropía máxima. La existencia de una tasa de evaporación parece contradecir la segunda ley de la termodinámica. La energía puede conducir y conduce a las desviaciones del equilibrio térmico. Mi aire acondicionado y mi frigorífico se aprovechan de ello. Mi aire acondicionado y mi frigorífico no violan la segunda ley de la termodinámica. Tampoco lo hace la atmósfera.

Los gases de efecto invernadero establecen unas condiciones en la atmósfera que hacen que la tasa de lapso adiabático sea un máximo local de entropía. La convección mueve la atmósfera hacia ese máximo local. Por último, la luz solar proporciona la energía que impulsa la convección. La existencia de una tasa de lapso no viola la segunda ley de la termodinámica.

¿Por qué la meseta tibetana tan frío ¿tan caliente?
Una de las respuestas utiliza la meseta del Tíbet para explicar la tasa de lapso. Hay un problema con esto: La diferencia de temperatura entre lugares de la meseta tibetana y lugares a nivel del mar a la misma altitud es mucho menor que la sugerida por la tasa de lapso. Lhasa Por ejemplo, a una altitud de 3.490 metros tiene una media anual de 15,8 °C y una media de 1,5 °C. La tasa de lapso ambiental de 6,5 K/km sugiere que Lhasa debería ser bastante más fría que eso. Las temperaturas más altas del hemisferio norte se encuentran en los bordes meridionales de la meseta tibetana. La meseta tibetana es bastante cálida dada su gran altitud. La tasa de lapso explica por qué la meseta tibetana debería ser fría, y lo es. ¿Por qué es tan cálida?

La respuesta es porque la meseta es muy alta. El aire libre a esa altitud se calienta de forma bastante indirecta desde el suelo, muy por debajo. El aire intermedio roba gran parte del calor ascendente. La tasa de lapso está en pleno apogeo. La meseta se calienta directamente por la tierra de gran altura. El flujo solar es mayor que a nivel del mar debido a la gran altitud de la meseta. La meseta es, de hecho, una importante fuente de calor para la atmósfera superior. Desde los años 50 se han publicado numerosos artículos científicos sobre este tema .

Answer 4

Mientras no subamos mucho más (nos ceñimos a la troposfera), las regiones inferiores de la atmósfera se pueden aproximar aproximadamente como una masa de gas ideal (esa es la atmósfera estándar que utilizamos en nuestro curso de aerodinámica), de modo que podemos tratarla utilizando la ley de los gases ideales ( $PV\propto T$ ). A medida que subimos, la presión atmosférica disminuye, haciendo que la temperatura baje (ya que son directamente proporcionales).

Esta tabla muestra la variación de la presión con la altitud en psi.

Para más información, consulte Tasa de caducidad en Wikipedia.

Como promedio, la Organización de Aviación Civil Internacional define un atmósfera estándar con una tasa de lapso de temperatura de 6,49 °C/1.000 m (3,56 °F o 1,98 °C/1.000 pies) desde el nivel del mar hasta los 11 kilómetros (36.000 pies). De 11 a 20 kilómetros (de 36.000 a 66.000 pies), la temperatura constante es de -56,5 °C, que es la temperatura más baja asumida en la ISA.

Como dijo Mark, el contenido de vapor de agua en el aire también juega un papel importante. Hay que tener en cuenta los diferentes índices de lapso para el cambio de la humedad. Incluso una pequeña variación podría afectar significativamente a los índices de lapso.

Una pregunta natural debería haber llegado ya, " ¿Por qué disminuye entonces la presión? "

Porque las moléculas de aire aquí en altitudes más bajas experimentan el peso ( $mg$ ) de las moléculas que están por encima de ellas, por lo que se produce una fuerza de compresión neta. Aunque la fuerza es muy pequeña (del orden de $10^{-25}$ o algo así) para una molécula individual, considerando en su conjunto (unos pocos kilómetros de profundidad y anchura), la peso neto ¡es grande! A medida que aumenta la altitud, la fuerza descendente también disminuye debido a la disminución densidad de las moléculas.

Y, (como dicen Chris y John), a medida que nos acercamos a la atmósfera superior, la temperatura empieza a aumentar con la altitud, ya que el aire se calienta directamente por la radiación solar.

Answer 5

La gravedad atrae el aire hacia abajo, hacia altitudes más bajas. Por esta razón, la presión atmosférica es mayor en las altitudes más bajas. Esta mayor presión se traduce en una mayor temperatura, tal y como describe la Ley de Gay-Lussac (la presión es proporcional a la temperatura).