Gradiente de temperatura

Gradiente de temperatura
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Concepto:Magnitud física que relaciona la variación de temperatura por unidad de distancia.

Gradiente de temperatura. Es una magnitud física que relaciona la variación de temperatura por unidad de distancia. En el sistema internacional su unidad de medida es el Kelvin/metro. El gradiente de temperatura se conoce también como gradiente térmico, gradiente geotérmico, e incluye dos gradientes, el adiabático de 10.0 C/Km (en aire seco) y el pseudoadiabático (aire húmedo) es 6.5 C/Km.

Variación de la temperatura de la Tierra

A través de la primera parte de la atmósfera, llamada troposfera, la temperatura decrece con la altura. Este decrecimiento se define como Gradiente vertical de Temperatura y es en promedio de 6,5ºC/1000m. Sin embargo ocurre a menudo que se registre un aumento de la temperatura con la altura denominada inversión de temperatura.

La temperatura normalmente disminuye con la altura. En la troposfera tiene un valor aproximado de seis grados por kilómetro. Esto significa que si, por ejemplo, la temperatura al nivel del mar es de 15 grados, a la altitud de cinco kilómetros, aproximadamente, alcanzará el valor de -15 grados (una disminución de 30 grados).

En la zona intertropical la temperatura disminuye un grado por cada 180m de altitud aproximadamente, ya que la atmósfera es más espesa y está muy próxima a la línea ecuatorial. A ello sumado al propio movimiento de rotación del planeta se genera un clima cálido.

En la troposfera

La troposfera es la capa más baja en la atmósfera de la Tierra, es calentada desde abajo. Porque se encuentra cerca de la superficie de la Tierra.

En la parte superior de la troposfera, la temperatura desciende donde menos calor de la superficie calienta al aire y por tanto el gradiente de temperatura medio está en torno a 0'65 grados cada 100 metros. Esto es debido a la capacidad del suelo para irradiar energía y hacer subir la temperatura de sus capas adyacentes.

En la capa más inferior, (hasta los 12.000 m de altitud), el gradiente térmico estándar es de -6,5 °C por kilómetro. Dicho valor equivale a un descenso de temperatura de un grado por cada 154 m de altura. Este gradiente térmico determina la estructura y concepto de los pisos térmicos.

Este gradiente se puede ver alterado por varios procesos: bajada o subida brusca de la temperatura del suelo o fuertes vientos. Para entenderlo mejor, en este especial veremos cuál es la estructura de la atmósfera y por qué cambia la temperatura según vamos ascendiendo.

Este fenómeno que ocurre cuando el suelo se enfría rápidamente por radiación, que a su vez enfría el aire que está en contacto con él, Y, a su vez, el aire más frío y pesado que está en la capa superior se enfría aún más. De esta manera, la velocidad con la que las dos capas de aire se mezclan disminuye bruscamente.

Suele ocurrir especialmente en invierno, dando lugar a nieblas persistentes y heladas. Si bien al cabo de unas horas la inversión térmica se suele romper, en condiciones desfavorables puede permanecer durante varios días hasta que el aire que está en contacto con el suelo se recalienta y restablece la circulación en la troposfera.

Durante este proceso no hay cambios en las masas de aire, es decir, si no hay una inestabilidad en la atmósfera o no hay frentes activos, la temperatura aumentará con relación a la altura, en algunos lugares más que en otros.

Incremento la temperatura por unidad de profundidad existente en la Tierra

El gradiente geotermal varía entre un lugar y otro, oscila entre 25 y 30 °C/km 15 °F/1000 pies. Los gradientes de temperatura varían ampliamente en la Tierra, a veces aumentando de manera considerable alrededor de las áreas volcánicas.

Es particularmente importante para los ingenieros de fluidos de perforación conocer el gradiente geotérmico en el área cuando diseñan un pozo profundo. La temperatura de fondo de pozo puede calcularse sumando la temperatura de la superficie al producto de la profundidad y el gradiente geotérmico.

La contaminación atmosférica, la temperatura del aire y la precipitación constituyen elementos que se utilizan para la zonificación climática aplicada a diferentes fines, entre los cuales se están la definición de los biomas en el mundo, la delimitación de los ecosistemas, la identificación de nichos ecológicos y, como base de todos los anteriores, la identificación del marco evolutivo de los suelos y están altamente influidas por procesos de inversión térmica.

Con los termómetros digitales de sonda se toman a la sombra lecturas a un metro y medio del suelo y a 50 cm. de profundidad dentro del mismo; a esta profundidad la temperatura del suelo es estable. De igual forma incide la hora de lectura, las coordenadas y la altura del sitio. Es decir la diferencia entre la temperatura ambiental y la del suelo varía con la hora del día, para el periodo entre las 8 am y las 2 pm; es decir, la tendencia muestra que la temperatura ambiente es mayor que la del suelo.

Gradiente vertical de temperatura

El gradiente vertical de temperatura se define como el gradiente en el que la temperatura del aire cambia con la altura y es debido a que la fuente de calor que está irradiando la atmósfera proviene del suelo. Así, cuanto más se aleja de la fuente, el aire estará más frío.

El verdadero gradiente vertical de temperatura de la atmósfera es aproximadamente de 6 a 7 °C por km (en la troposfera) pero varía mucho según el lugar y la hora del día.

La temperatura en el aire de la troposfera disminuye uniformemente unos 0,65ºC cada 100 metros ascendidos dentro de ella (o sea 6,5 ºC cada km ), por lo que cuanto más se asciende más baja es la temperatura de la capa de aire.

Según esta variación de la temperatura del aire debida a la altitud (no por ascender ni descender el aire, sino simplemente por estar más arriba o más abajo). Por término medio es -0.65 ºC/100 m, pero en realidad este valor es muy variable.

Gradiente termico vertical en Los Andes

Clasificación de una capa de aire según su gradiente térmico vertical

Si GTV > GAH decimos que la capa es estable, significa que si una burbuja de aire por alguna causa inicia un ascenso, se frenará inmediatamente y regresará al punto de partida, pues se enfría más rápido que su entorno. Como caso particular de capa estable, si GTV > 0 tenemos una capa de inversión térmica.

Si GAS < GTV < GAH decimos que la capa es condicionalmente inestable, significa que si una burbuja de aire inicia un ascenso, continuará su ascenso a través de la capa sólo mientras el aire de la burbuja esté saturado, en otro caso se frenará.

Si GTV < GAS decimos que la capa es absolutamente inestable, significa que si una burbuja de aire inicia un ascenso, continuará su ascenso hasta el final de la capa pues se mantendrá en todo momento más cálida que su entorno.

Gradiente adiabático seco

El gradiente adiabático es la variación de temperatura que experimentan las masas de aire en movimiento vertical. Sin embargo la humedad afecta este gradiente. Si no se produce condensación en la masa de aire se denomina seco, y es de -10 K aproximadamente por cada 1000m de elevación (-1 K/100m).

Este fenómeno adiabático que hace que el aire que sube se enfríe y el que baja se caliente, por lo tanto por la circulación general atmosférica las corrientes de aire que suben se van a enfriar y las que bajan calentar, por ende a mayor altura vamos a tener menor temperatura que a menor altura.

Variación de temperatura que experimenta una burbuja de aire seco (humedad relativa < 100 %) cuando se mueve verticalmente. Su valor aproximado es -1 ºC/100 m si asciende (y +1 ºC/100 m si desciende).

El valor del GAS es "constante", no depende sustancialmente ni de la presión ni de la temperatura a la que parte la burbuja.

Gradiente adiabático húmedo (o del aire saturado)

Variación de temperatura que experimenta una burbuja de aire saturado (humedad relativa = 100 %) cuando se mueve verticalmente. Depende de la presión y de la temperatura. Cerca de la superficie terrestre en término medio se cifra en -0.5 ºC/100 m, para masas cálidas puede llegar a -0.4 ºC y se va acercando al gradiente adiabático del aire seco según consideramos masas más frías.

El vapor de agua al condensarse libera calor compensando en parte el descenso de temperatura que se produce al ascender la burbuja de aire, esa es la razón de que el gradiente adiabático húmedo sea menor (en valor absoluto) que el seco. Además, cuánto más caliente es una masa de aire más vapor de agua puede albergar por lo que la liberación de calor por condensación es mayor en masas saturadas calientes que en frías.

Como en todo proceso adiabático se presupone que no hay intercambio de calor entre la burbuja de aire y su entorno (no es del todo cierto claro, pero es bastante realista porque el aire es mal conductor de calor). Cuando la burbuja de aire asciende disminuye su presión, por lo que sus moléculas se mueven menos, es decir se enfría.

Gradiante térmico según la zona

En la práctica el gradiente térmico varía localmente según la zona geotérmica y según sea la orientación de las laderas o vertientes (vertientes de solana o de umbría, por ejemplo). Existe además un gradiente térmico dependiendo de la latitud. La existencia de estos gradientes es uno de los factores determinantes de la circulación atmosférica a gran escala, junto con el efecto Coriolis.

Los rayos solares no llegan igual a todas las partes del globo, y tampoco en las estaciones. Así, en las zonas templadas el gradiente térmico es mucho mayor que en la zona tropical, 1ºC por cada 155m de altitud, debido a la menor insolación que recibe y al menor espesor de la atmósfera. También en estas mismas zonas se producen diferentes variaciones como consecuencia de la orientación del relieve y de la distancia a la que se encuentre de la línea del ecuador, así como de los polos.

Zona intertropical

En la zona intertropical, sobre todo en las áreas próximas al ecuador, la temperatura disminuye un grado por cada 180 m de altitud, como estableció Antonio Goldbrunner. Este menor gradiente se debe al mayor espesor en la zona ecuatorial, tanto de la atmósfera en general como de la troposfera en particular, debido a la fuerza centrífuga del movimiento de rotación de la Tierra.

Como la zona ecuatorial es la zona de convergencia intertropical, los alisios del noroeste y los alisios del suroeste convergen y se elevan, produciendo una faja latitudinal de bajas presiones junto al círculo ecuatorial cuyo espesor exagera aún más las dimensiones del abultamiento ecuatorial terrestre. En suma, al ser una zona de bajas presiones, el aire caliente se eleva a gran altura, lo que da origen también a las grandes dimensiones de los cumulonimbos (nubes de desarrollo vertical) que llegan a tener el doble de altura que en las zonas templadas.

Zona templada

El gradiente térmico en las zonas templadas es mayor que en la zona intertropical, lo cual se debe, por una parte, al menor espesor de la atmósfera en las zonas templadas, y por la otra, a la menor insolación que recibe. Por otra parte, las variaciones en la insolación por la orientación del relieve son muy fuertes en las zonas templadas, como se puede ver en la ubicación de pueblos y caseríos en los Alpes, mucho más numerosos y elevados en las vertientes de solana, por ejemplo en el alto valle del Ródano.

Este es un fenómeno que ocurre cuando el suelo se enfría rápidamente por radiación, que a su vez enfría el aire que está en contacto con él. Y, a su vez, el aire más frío y pesado que está en la capa superior se enfría aún más. De esta manera, la velocidad con la que las dos capas de aire se mezclan disminuye bruscamente.

Suele ocurrir especialmente en invierno, dando lugar a nieblas persistentes y heladas. Si bien al cabo de unas horas la inversión térmica se suele romper, en condiciones desfavorables puede permanecer durante varios días hasta que el aire que está en contacto con el suelo se recalienta y restablece la circulación en la troposfera.

No hay cambios en las masas de aire, es decir, si no hay una inestabilidad en la atmósfera o no hay frentes activos, la temperatura aumentará con relación a la altura, en algunos lugares más que en otros.

Inversión térmica

Una inversión térmica es un tipo de característica que toma la atmósfera cuando la temperatura del aire, en vez de descender mientras subimos en altura, como es normal, va ascendiendo cada vez más, esto hace que la densidad del aire, la cual se relaciona directamente con la temperatura, descienda con la altura.

Inversión térmica

Fuentes