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viernes, 28 de diciembre de 2012

EL AIRE

El aire, la masa de gases que nos envuelve, está formado por una mezcla de ellos entre los cuales los más importantes son el oxígeno y el nitrógeno. Contiene también cierta cantidad de agua que se encuentra en estado gaseoso formando el vapor de agua, que es invisible; o también en forma líquida y sólida, como es el caso de las nubes.

La cantidad de agua que contiene el aire es muy importante. La radiación solar al calentar los océanos y las zonas húmedas de la Tierra, provoca de hecho una evaporación considerable. Se ha podido estimar que el sol, en los días adecuados, evapora la cantidad equivalente a un vaso de agua por metro cuadrado de océano. Por lo tanto hay miles de toneladas de agua que se encuentran en suspensión en el aire.

Por otra parte, el aire tiene un peso determinado y por eso el suelo sufre cierta presión por parte de la atmósfera. La presión atmosférica en un lugar determinado del globo, es igual al peso de la columna de aire que soporta dicho lugar. Como es lógico, ésta disminuye con la altitud, pero cada vez con menos rapidez a medida que vamos ascendiendo pues en realidad el aire es compresible y se puede comprobar un cierto apisonamiento en las capas inferiores. La presión y la altitud están, en cualquier caso, estrechamente ligadas, hasta tal punto que el cálculo de la altitud se efectúa habitualmente a través de la medida de la presión atmosférica (los altímetros de los aviones, o de otro tipo, no son más que barómetros, cuya escala representa metros de altura en vez de milímetros de mercurio o milibares).

En meteorología hay que resaltar que la unidad de presión es el milibar, y que la presión media a una altitud de cero metros, es decir, al nivel medio del mar, es de 1013,25 milibares.

Por último, todos sabemos que el aire posee una determinada temperatura y, en la troposfera, esta temperatura disminuye con la altitud.

El gradiente térmico vertical que corresponde al índice de decrecimiento de la temperatura entre el suelo y la tropopausa es, por término medio, de 6,0ºC por kilómetro.

En resumen, una partícula cualquiera de aire, inmóvil, situada en un punto determinado de la troposfera, se encuentra definida por estos tres parámetros: presión, cantidad de agua que contiene y temperatura. Pero una partícula de aire raras veces se encuentra inmóvil y en cuanto se desplaza sus características se modifican. El aire en movimiento puede sufrir transformaciones tales que nos obliguen a hablar de diferentes "estados". Es muy importante analizar con detalle estos estados, pues dependiendo de sus características podremos diferenciar la masa de aire que circula por encima.

Estados del aire

Supongamos el caso de un viento que llega al pié de una montaña y que se ve obligado a elevarse para franquearla. Este ejemplo es un poco especial, debido a que el movimiento del aire se ve empujado aquí por el relieve (movimiento orográfico), mientras que los movimientos que se producen en la atmósfera libre tienen otras causas. Pero de todas formas es un hecho revelador.

Subidos imaginariamente en una burbuja de aire, vamos a franquear cuatro veces la montaña, con cuatro clases de aire diferentes:

Primer caso

El aire que llega al pié de la montaña contiene agua únicamente en forma de vapor y en una cantidad muy pequeña. Vamos a suponer que su temperatura es de 17,0ºC.
 El aire se eleva a lo largo de las pendientes. Como consecuencia de ello la presión que sufre va disminuyendo; el aire está menos comprimido y por lo tanto se expande. Esta expansión origina su enfriamiento cuya tasa es del orden de 1,0ºC por cada 100 metros. Si suponemos que la montaña tiene 2000 metros de altura, la temperatura del aire que llega hasta la cumbre es de -3,0ºC.

A continuación, el aire baja por el otro lado. La presión que sufre va en aumento y se origina un recalentamiento que se efectúa al mismo ritmo que el enfriamiento anterior (1,0ºC por cada 100 metros). Al llegar al pié de la montaña vuelve a adquirir sus temperatura inicial: 17,0ºC.

De esta primera escalada es necesario resaltar tres hechos:

1º. El aire se enfría al subir, pero vuelve a su temperatura inicial al final del descenso. Las transformaciones que sufre se saldan con un balance nulo: ni pierde ni gana calor. Estas variaciones de temperatura del aire en movimiento se realizan de forma adiabática, es decir, sin intercambio de calor con el entorno.

2º. El índice de variación con la temperatura del aire en movimiento es de 1,0ºC por cada 100 metros si éste aire sólo contiene agua en forma de vapor. En este caso se denomina gradiente adiabático de aire no saturado o, simplemente, gradiente adiabático seco.

3º. Podemos observar que el gradiente térmico vertical del aire en movimiento es claramente diferente del gradiente vertical del aire inmóvil: 10,0ºC por kilómetro.

Segundo caso

El aire tiene la misma temperatura que el caso anterior (17,0ºC). Éste sigue siendo límpido, aunque en esta ocasión contiene una mayor cantidad de vapor de agua. Al elevarse, se enfría. A una altitud determinada (por ejemplo a 1000 metros, donde la temperatura del aire es de 7,0ºC), de repente sucede algo: Asistimos a la aparición de una nube. ¿Por qué?
Porque el aire solamente puede contener una pequeña cantidad de vapor de agua y admite cada vez menos a medida que va siendo más frio. La relación entre la cantidad de vapor que el aire contiene realmente y la cantidad máxima que puede contener a una misma temperatura definen su humedad relativa, que se expresa en tantos por cien. En nuestro ejemplo, la cantidad de vapor de agua que el aire aceptaba con facilidad a 17,0ºC es en definitiva la máxima a 7,0ºC. Su humedad relativa en este caso es del 100%. Se ha alcanzado la saturación. Si el aire sigue enfriándose, el vapor de agua sobrante se transforma en pequeñas gotas microscópicas, suspendidas en el aire por efecto del viento. En este caso se produce la condensación, que es el paso del estado gaseoso al líquido; es decir, una nube.

Hay que advertir que esta condensación, con frecuencia, tiene un ligero retraso; entonces el aire se encuentra en estado de sobresaturación.


Al condensarse el vapor de agua del aire no por ello deja de ascender; pero a partir del momento en que se produce la condensación, su temperatura disminuye con menor rapidez en función de la altitud. La condensación libera calor (el mismo calor que había originado, hace poco, la evaporación del agua sobre el océano; éste calor de denomina calor latente). Las variaciones de temperatura se producen de ahora en adelante según un gradiente distinto que se denomina gradiente pseudoadiabático saturado y que denominaremos en consecuencia gradiente adiabático saturado. Éste gradiente puede variar entre 0,5ºC y 0,8ºC por cada 100 metros. Vamos a suponer que tiene un valor de 0,6ºC.

En la cumbre de la montaña, el aire es por lo tanto menos frío que en el primer caso: Su temperatura es de 1,0ºC. Al bajar se comprime y se calienta y desaparecen las gotitas de agua. A 1000 metros de altitud la evaporación es total; el aire vueleve a ser límpido. En el resto de la bajada, la temperatura va aumentando según el gradiente adiabático seco. Al pié de la montaña, la temperatura del aire es otra vez de 17,0ºC.

Tercer caso

El aire que llega al pié de la montaña tiene siemjpre la misma temperatura, pero esta vez contiene mucho más vapor de agua que en el caso anterior. La condensación de ésta se produce con mucha más rapidez: por ejemplo a 200 metros de altitud tiene una temperatura de 15,0ºC. En la cumbre, el aire está a 4,2ºC.
Pero en el transcurso de la ascensión se produce una nueva transformación: Ha habido precipitación, ha llovido. A pesar de las apariencias la lluvia es un fenómenos enormemente complejo. Si ha llovido quiere decir que el aire ha perdido una parte de su agua.

Cuando el aire desciende por la otra vertiente se calienta en función del gradiente adiabático saturado. Pero contiene menos agua que antes, es decir, hay un menor número de gotitas de agua para evaporar. Después de bajar 1000 metros, por ejemplo, y al ser la temperatura de 10,2ºC, la evaporación es total. El calentamiento se efectúa más tarde según el gradiente adiabático seco, a razón de 1,0ºC por cada 100 metros. Al pié de la montaña la temperatura del aire es de 20,2ºC. En otras palabras, después de pasar sobre la montaña el aire se vuelve más cálido que antes. El calor liberado por la condensación sólo se reabsorbe en parte por la evaporación; el "excedente" contribuye a aumentar la temperatura del aire. Este caso es conocido por los meteorlógos como Efecto Fóehn.


Cuarto caso

En los ejemplos anteriores el aire era cálido. Pero imaginemos ahora que es bastante más frio y el aire llega al pié de la montaña con una temperatura de 6,0ºC.

La condensación se produce, por ejemplo, a 300 metros; el aire está entonces a una temperatura de 3,0ºC. Su temperatura, disminuyendo a continuación según el gradiente adiabático saturado, es de 0,0ºC a 800 metros. Podría pensarse que las gotitas de agua que forman la nube van a transformase en hielo, pero esto no ocurre siempre. Con frecuencia comprobamos que ésta transformación se efectúa de una forma muy progresiva y sólo es completa cuando la temperatura alcanza los -40,0ºC. Cuando las gotas de agua permanecen en estado líquido por debajo de los 0ºC, se dice que están en estado de sobrefusión.

Este estado es precario. Un automovilista que atraviese la montaña, cuando llega a una altitud en la que la temperatura es inferior a 0ºC, puede observar que su parabrisas se cubre de escarcha. De hecho, basta un simple choque (o la presencia de impurezas en el aire) para que las gotitas de agua derretidas se transformen instantáneamente en hielo.
Para analizar todas las transformaciones del aire posibles, hay que señalar por último que cuando éste es muy frio el vapor de agua que contiene se transforma directamente en hielo sin pasar antes por el estado líquido. A éste fenómeno se le llama sublimación.

Las nubes formadas por cristales de hielo aparecen a gran altitud (por encima de los 6000 ó 7000 metros) y son fácilmente reconocibles por su aspecto sedoso y su blancura resplandeciente. Son los cirros. Las nubes que contienen gotas de agua son más grises y se encuentran a menor altitud, aunque se sabe que también pueden aparecer a altitudes en las que la temperatura es bastante inferior a 0ºC.

BIBLIOGRAFIA: METEOROLOGIA MARINA
ED. Tutor-Náutica











 




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