Si sale aire caliente, ¿por qué hace tanto frío en la cima de una montaña?

Era una buena tarde y viajaba en un avión que ofrecía entretenimiento a bordo. Dos horas y media y una película más tarde, comencé a navegar a través de otros canales ofrecidos en la pantalla. Y me detuve en uno que muestra datos de vuelo en tiempo real, como la velocidad de crucero, la ubicación actual en el mapa, la altitud de crucero, etc. Fue sorprendente y aterrador saber que volamos a 9600 m de altura y lo hicimos a 880 km / hora. . Y luego, una cosa me dejó sin cerebro: la temperatura del aire exterior. ¡Leía, -42 ºC (sí, eso fue un menos)! ¿¡Qué!? No estoy volando sobre la Antártida. ¿Cómo puede ser tan frío? ¡De ninguna manera! Ni siquiera veo hielo o nieve en el cristal de la ventana. Pensé que el avión posiblemente debe haber tenido un sensor defectuoso.

Casi al mismo tiempo, el capitán anunció: “Damas y caballeros, les agradecemos por elegir volar con nosotros. Aterrizaremos en nuestro destino en unos 45 minutos. El clima allí es muy agradable, aunque parcialmente nublado, y la temperatura es de 21 ºC. Que tengas un buen vuelo y un gran día por delante, ¡gracias! ”. ¡Un rápido cálculo matemático reveló que es una diferencia de más de 60 ºC!

Luego se me ocurrió lentamente que todos los lugares de la Tierra con gran altitud, por lo general, están fríos. Entonces, uno puede inferir aquí que con la altura, la temperatura baja. ¡Puede ser verdad! Pero, ¿cómo se puede contrarrestar el siguiente ‘argumento’?

Imagínese, acercarse a cualquier chimenea solo lo haría sentir más cálido y no más frío. Y Sun es una gran bola de calor gorda. Entonces, obviamente, ‘aumentar la altitud (es decir, nos estamos acercando al Sol) significa más calor, ¿no?’ Como aprendería más tarde, en un universo perfecto, ese habría sido el caso. Aparentemente, aparte de la distancia desde el Sol (léalo altitud desde la Tierra), hay otro factor importante involucrado que afecta el fenómeno físico que de otro modo se esperaría: la Atmósfera de la Tierra (‘aire’ es otro nombre para eso). A continuación se muestra la definición de aire de Wikipedia:

La atmósfera de la Tierra es una capa de gases que rodea el planeta Tierra que es retenida por la gravedad de la Tierra.

Además, hay ciertos hechos que son clave para nuestra comprensión.

• El aire más cercano a la superficie de la Tierra está bajo la presión más alta, por lo tanto, la más densa.
• Cuanto más nos alejamos de la superficie de la Tierra, más delgado se vuelve el aire. O dicho de otra manera, la presión disminuye con la altitud.

Esto es simplemente análogo a un cuerpo de agua (supongamos un lago) que tiene una profundidad considerable. Si colocamos un globo lleno de aire en el fondo del lago, se encogería más que cuando se coloca justo debajo de la superficie del agua. ¿Por qué? Porque, cuando está en la parte inferior, toda la columna de agua que está por encima intenta pesarlo (o, en otras palabras, ejercer presión sobre él). Por lo tanto, moverse hacia arriba y hacia abajo verticalmente implica presiones decrecientes y crecientes respectivamente de acuerdo con la altura correspondiente (peso de lectura) de la columna de agua arriba. Fenómeno similar ocurre con el aire también. La presión atmosférica se puede considerar simplemente como el peso del aire sobre un punto dado. Por ejemplo, el aire justo inmediatamente a la superficie de la Tierra, está siendo empujado hacia abajo por toda la columna de aire por encima, por lo tanto, la presión atmosférica es más alta en la superficie de la Tierra y disminuye gradualmente a medida que avanzamos hacia arriba. Para entenderlo más, recomiendo el siguiente video:

Ahora que establecimos la relación de presión de altitud, es el momento de recordar una ley física primaria que aprendimos en la escuela: la Ley de Presión-Temperatura de Amontons. Lo que básicamente trata de decir sobre el aire (o el gas) es que la compresión (aplicando presión) se calienta, mientras que la expansión (alivio de la presión) se enfría. Si desea obtener una sonda para este fenómeno físico, intente usar una bomba de bicicleta. Se calienta después de que se bombea aire al neumático. Luego, para el efecto inverso, libérelo de la válvula del neumático y encontrará el aire que sale, más fresco. Lo mismo ocurre con las latas de pulverización y los cilindros a alta presión. Esto sucede porque las moléculas de aire a alta presión estarían en un nivel de energía más alto que aquellas bajo menos presión. Y la temperatura no es más que la medida de la energía cinética promedio de las partículas (en este caso, las moléculas de aire).

Visto desde otra perspectiva: con una disminución de la presión, el aire aumenta de volumen. Entonces, si la misma cantidad de moléculas de aire está en un espacio más grande, no chocan entre sí tanto, y su energía cinética total se extiende sobre un área más grande, lo que reduce la temperatura promedio. Si ahora te hace preguntarte cómo varía el perfil de temperatura a lo largo de la atmósfera, aquí hay una ilustración para ti.

Fuente y Copyright – UC Regents (Universidad de California)

Como se podría notar, la temperatura disminuye a un ritmo aparentemente constante (llamado Lapse Rate) en toda la troposfera. Esta disminución, aunque no consistente, en promedio es de 6.4 ºC / km. Bueno, eso explica la diferencia de temperatura (> 60 ºC) que mencioné al principio. No solo eso, con un pequeño reavivamiento de mi memoria, recuerdo haber oído hablar de un término llamado “ocurriendo hielo” en la película Iron Man, cuando la prueba de Tony Stark ejecuta su traje Mark II. Si bien este fenómeno no evitó al icónico Iron Man, esto también puede suceder con las aeronaves regulares y, en ocasiones, podría resultar fatal al arruinar aspectos cruciales como la aerodinámica del vuelo.

Pero, ¿qué pasa con el aumento de la temperatura en la estratosfera? Como explica Wikipedia, “esto sucede debido al calentamiento dentro de la capa de ozono causado por la captura de radiación ultravioleta significativa del Sol”. Esto se llama inversión de temperatura. La mesosfera, por otro lado, se comporta de manera muy similar a la de la troposfera pero con un perfil de temperatura más amplio. Pero eso es todo. El comportamiento ideal esperado, es decir, acercarse al Sol debería aumentar la temperatura, será una realidad desde la termosfera y más allá. De hecho, ¡podemos freírnos!

Porque, a grandes altitudes, la presión es menor que a nivel del mar.

Es, de hecho, cierto que se eleva el aire caliente. Entonces sigamos una “burbuja” de aire caliente que se eleva en la atmósfera. A medida que aumenta y aumenta, la presión disminuye y disminuye, lo que hace que la burbuja de aire caliente se expanda. Si recuerda sus clases de termodinámica, también puede recordar que, cuando un gas se está expandiendo, está ejerciendo trabajo en el vecindario. Este trabajo es energía extraída de la burbuja de gas caliente y, como para el aire (y la mayoría de los gases), su energía interna se almacena en forma de temperatura. Por lo tanto, para expandirse a mayores altitudes, la energía debe ser retirada de la burbuja. Retirar energía enfría la burbuja de gas caliente. Esa es la razón por la que hace más frío en altitudes más altas.

A medida que sube el aire caliente, encuentra una presión más baja, ya que ahora es más alta en la atmósfera con menos peso de otros átomos de aire encima. El aire se expande debido a la disminución de la presión, la temperatura disminuye. El aire caliente puede ser más cálido que otro aire en las cercanías y, por lo tanto, el aire se elevará, sin embargo, todo el aire está más frío ahora que el aire se ha ressen. Las montañas son más frías que a nivel del océano. Cuando se precipita en las montañas, ya que es más frío, es más probable que nieve en la playa del océano.

El siguiente bit es el vapor a líquido a punto sólido de H2O. A medida que el aire sube y se enfría, el vapor atrapado dentro de ese aire alcanza un punto de rocío donde el vapor se convierte en líquido y líquido, esta es una reacción exotérmica y calentará el vapor que ahora es agua, pero a medida que comienza a caer por el aire, el el aire enfriará el líquido y si está por debajo de cero (0 C) entonces obtendremos nieve.

Nieve – Wiki – Efectos de montaña

Las nevadas orográficas o de relieve se producen cuando las masas de aire empujadas por el viento se ven obligadas a subir por el costado de formaciones terrestres elevadas, como grandes montañas. La elevación del aire por la ladera de la montaña da como resultado un enfriamiento adiabático y, en última instancia, condensación y precipitación. Se elimina la humedad mediante elevación orográfica, dejando un aire más seco y cálido en el lado descendente y de sotavento. La productividad mejorada resultante de la caída de nieve y la disminución de la temperatura con la elevación significa que la profundidad de la nieve y la persistencia estacional de la capa de nieve aumentan con la elevación en áreas propensas a la nieve.

Excelente pregunta!

La caída de la temperatura en la cima de las montañas se debe al cambio en la presión atmosférica . Todos conocemos la relación entre presión y temperatura. Tanto la presión como la temperatura varían proporcionalmente. Esto es lo que dice la termodinámica. Pero odio las ecuaciones y fórmulas. Tengamos una explicación práctica y una buena comprensión de esto.

Eche un vistazo profundo al gráfico a continuación. Muestra cómo la presión atmosférica varía con la altitud.

Hay dos factores por los que hay una caída de temperatura en la cima de las montañas.
1. Caída de presión
2. La cantidad de vapor de agua en el aire.

1) Caída de presión
La causa de la presión atmosférica nos hará saber el motivo de esta caída de presión con un aumento de la altitud. La palabra presión es la extensión de la palabra prensa. El aire presente sobre la superficie presiona la superficie de nuestra tierra porque sabemos que el aire tiene masa y, por lo tanto, es arrastrado hacia la superficie por gravedad. El peso del aire actúa en toda la superficie y ejerce una presión (una fuerza). Esta presión es la presión atmosférica.

La gravedad juega un papel importante en esto. La gravedad es máxima al nivel del mar y disminuye cuando nos movemos hacia arriba. Por encima de una montaña, la gravedad disminuye, por lo que disminuye la presión atmosférica.

La caída de presión disminuye la temperatura. Esto se debe a que cuando aumenta la presión, más cantidad de partículas o moléculas están contenidas en el espacio. Cada partícula posee algo de calor. Cuando el número es mayor, el calor que poseen todas las partículas juntas es mayor. Además, las colisiones entre estas moléculas son más que producen calor. Cuando la presión disminuye, las moléculas se extienden y, por lo tanto, el calor no se concentra y la temperatura baja.

2) La cantidad de vapor de agua en el aire

El vapor de agua constituye el 36-70% de los gases de efecto invernadero. Los vapores de agua absorben el calor del sol y calientan los alrededores. Esto está a nivel del suelo. A mayores altitudes, estos vapores de agua se condensan debido a la disminución de la presión y forman niebla que son partículas de agua en suspensión. El vapor de agua presente en la cima de la montaña es menor, por lo que hay menos absorción de calor del sol, lo que evita el aumento de la temperatura.

Conclusión

Mi conclusión es que la temperatura no disminuye al subir. En cambio, se puede decir que la temperatura atmosférica aumenta hacia la superficie de la tierra debido al VAPOR DE AGUA y otros GASES DE INVERNADERO y GRAVEDAD .

En parte porque hay más espacio en altitudes más altas que en altitudes más bajas, por lo que el aire caliente tiene mucho espacio para expandirse. A medida que se expande, pierde temperatura rápidamente mientras que el aire más frío presuriza un poco para llenar el espacio recientemente evacuado al lado del suelo, calentándose un poco al hacerlo.

… y en parte por el ángulo solar; El terreno llano está totalmente expuesto al sol, con poca sombra. Los picos de las montañas, por otro lado, pasan gran parte de su tiempo en algún grado de sombra; La cara norte puede estar sombreada todo el día. La cara occidental estará sombreada durante las horas de la mañana. La cara oriental está sombreada durante las horas de la tarde / noche.

Además, una montaña tiene mucha más superficie radiante por milla cuadrada que un terreno plano y nivelado. Como resultado, puede irradiar el calor de manera más eficiente que el suelo plano y plano.

Dos partes de esta pregunta, responderé ambas independientemente:

1) ¿Por qué la temperatura disminuye con la altura?
Esto se aplica solo en la troposfera, pero la idea es aplicable
en cualquier parte de la atmósfera. Para que la atmósfera “gane” temperatura,
Debe ganar energía. La única fuente de energía es la radiación solar. Ya que
el Sol se irradia principalmente en la parte visible del espectro, y la troposfera no absorbe la radiación visible (es decir, es transparente a la radiación visible), no se puede calentar de esta manera.

Sin embargo, la superficie terrestre absorbe fuertemente la radiación visible, por lo que la troposfera se calienta principalmente desde el fondo, lo que significa que la parte más baja también es la más caliente. Esta situación es inestable: de hecho, esta es la razón por la que se obtienen cúmulos. Entonces, el aire caliente en la parte inferior se mueve hacia arriba.

En la estratosfera, por otro lado, el calentamiento se debe a la absorción de la radiación UV por el ozono. Dado que la concentración de ozono aumenta con la altura en la estratosfera, la temperatura en realidad aumenta con la altura y, por lo tanto, se sabe que la estratosfera es muy estable.

2) Entonces, ¿por qué no todo el aire cálido sube a la cima?
Esto se debe a que la densidad del aire en la troposfera no es uniforme. Se vuelve más raro a medida que avanzas. Si la troposfera fuera de densidad uniforme, entonces el aire más caliente se elevaría hasta la cima, como el agua en una cacerola caliente. Sin embargo, el aire solo puede elevarse a ese nivel donde la energía potencial es igual a la energía suministrada por la calefacción. Para la mayoría de los lugares, esto marca la altura de lo que se llama http://en.wikipedia.org/wiki/Pla… . En casos extremos, como en el caso de las nubes cumulonimbus, el calentamiento continuo ocurre a medida que el aire sube (debido a la condensación del vapor de agua) y esto permite que el aire de la superficie alcance la parte superior de la troposfera, como creía que debía suceder en todos los casos. Esta es la principal causa de turbulencia que afecta a los aviones.

A medida que el aire caliente se eleva, se expande al encontrar una presión más baja, al hacerlo tiene que trabajar contra la atmósfera, este trabajo proviene de la energía interna del aire caliente, lo que hace que su temperatura baje hasta que las presiones se igualen. Busque la tasa de lapso adiabático. Las altitudes más altas irradian más calor ya que los rayos infrarrojos tienen menos atmósfera, gases de efecto invernadero, para penetrar, por lo que la masa terrestre se enfría más rápidamente. No se calientan más rápido porque la atmósfera no absorbe la luz entrante y el cambio de distancia al sol no es grande. Esta es una manifestación de la Primera Ley de la Termodinámica, no la Ley del Gas Ideal.

Realmente no hay contradicción, ¡gran pregunta! Aunque es un error común, el calor NO aumenta. En cambio, se calienta el AIRE que sube; se expande al calentarse, haciéndolo menos denso y más ligero que el aire más frío que lo rodea.

El calor se dispersará en todas las direcciones de manera uniforme en un medio uniformemente sólido. Cuando un medio móvil (como un gas o líquido) se calienta de manera desigual, es el cambio en la densidad y el movimiento del medio en sí lo que permite que tenga lugar el aumento y la caída convectivos desde la gravedad. (El agua es una excepción ya que varía de esta regla en ciertos rangos de temperatura).

La caída de la temperatura que resulta del aumento de la altitud (la tasa de caída adiabática) se debe a la disminución de la presión del aire, que es una disminución en su contenido de energía que se expresa como una disminución de la temperatura.

Esto se combina con la distancia creciente desde la fuente de calor (que es el calor irradiado desde la superficie calentada por el sol de la tierra).

A medida que sube el aire más cálido, se enfría por la disminución de la presión, no solo por el desprendimiento intuitivo de su calor al aire circundante ya frío. (Tenga en cuenta que, al ser de diferentes densidades, el aire caliente y el aire frío son como el aceite y el agua y no se mezclan fácilmente entre sí, y no es necesario mezclar para que se produzca este enfriamiento). Se eleva hasta que alcanza un nivel donde está en equilibrio con las condiciones del aire circundante. El nivel de humedad de la masa de aire juega un papel en esto.

También tenga en cuenta que esta relación temperatura-altitud más o menos lineal solo es válida en altitudes más bajas. A medida que avanza a altitudes cada vez más altas, otros factores entran en juego para causar una inversión real de esta tendencia y surge una relación en zig-zag dentro de los estratos más altos de la atmósfera.

Espero que esto ayude a tu comprensión.

Solo para aclarar algunas de las respuestas.

El aire no se enfría a medida que se expande. Se enfría quizás por lo que tiene que hacer para expandirse.

La temperatura de un gas es una medida de la energía interna promedio de todas las moléculas. La temperatura de un gas solo puede cambiar si agregamos o eliminamos energía.

Si tengo una cámara dividida en dos, con una puerta abierta rápida entre las dos mitades. Una mitad contiene algo de aire a una temperatura, la otra es un vacío. Entonces abro la puerta rápidamente. Las moléculas se expanden rápidamente en el espacio duplicado. Y la temperatura no cambia *. Esto se conoce como Expansión Joule – Google it. Porque el aire no tenía que hacer nada para poder expandirse.

Por el contrario, si quiero devolver el aire al espacio más pequeño, tengo que hacerle algo. Tengo que TRABAJAR en el aire, como comprimir el espacio. Estoy agregando energía y esto es lo que calienta el aire.

Para una parcela de aire ascendente, son lo suficientemente grandes como para que esencialmente no pueda entrar o salir calor de la parcela; es un proceso adiabático. Cuando un paquete se eleva, debe igualar la presión con el aire que lo rodea. Por lo tanto, necesita expandirse para hacerlo. Si no hubiera nada a su alrededor, podría expandirse a través de la expansión Joule y no habría ningún cambio de temperatura.

Pero hay algo a su alrededor: otras parcelas aéreas. Con el fin de expandir nuestro paquete, debe apartarlos para dejar espacio para su expansión. Tiene que TRABAJAR sobre ellos y esto requiere energía. Pero dado que el paquete no puede obtener energía adicional del exterior, la única fuente de energía disponible es la energía interna de sus moléculas. El paquete se enfría para dejar espacio para su expansión. Este es un ejemplo de expansión adiabática. La expansión adiabática puede ocurrir en todo tipo de circunstancias y podemos resolverla a partir de la Ley del Gas Ideal. Sin embargo, dado que la presión en la atmósfera varía con la altura con una fórmula basada en la fuerza de la gravedad, la ecuación para el cambio de temperatura con la altitud se simplifica a -g / Cp. Gravedad dividida por el calor específico del aire. Que funciona a alrededor de -9.8 C / km. Esto se llama Tasa de lapso adiabático seco

Pero la tasa de lapso promedio observada (promedio de estrés) es -6/5 C / km. ¿Lo que da?

Condensación. Cuando una columna de aire ascendente tiene suficiente vapor de agua, si se eleva, comienza a producirse suficiente condensación. Y la condensación libera calor. Así que ahora es como si el aumento ya no fuera adiabático. Entonces la columna de aire no se enfría tan rápido. Aunque varía un poco con la temperatura, la tasa de lapso promedio cuando se produce condensación es de -5 C / km. Esta es la tasa de lapso adiabático húmedo.

Además, una parcela de aire descendente, que también tiene que suceder para mantener equilibrada la masa de la atmósfera, se calentará, nuevamente al ritmo de secado, ya que a medida que desciende, es comprimida por otras parcelas a su alrededor para aumentar su presión.

Entonces, la tasa observada es el agregado de -9.8 / km en aire ascendente sin condensación, -5.0 / km en aire ascendente con condensación y 9.8 / km para aire descendente.

Esto puede producir una clase de vientos llamados Fohn Winds. El aire húmedo que se eleva sobre una cordillera se enfría a -9.8 / km hasta que comienza la condensación y luego -5.0 / km después. Luego desciende a 9.8 / km hasta el otro lado. Si vuelve a bajar a la misma altitud en el otro lado, será más cálido que cuando comenzó.

* Estrictamente hablando, la expansión Joule produce cierto enfriamiento debido a un fenómeno secundario llamado efecto Joule / Thompson. A medida que el aire se expande, la distancia promedio entre las moléculas aumenta. Dado que existen fuerzas atractivas como las fuerzas de Van Der Waals que tienden a juntar un poco las moléculas, al igual que la gravedad, cuando separan sus aumentos de energía potencial. Para suministrar esto, su energía cinética disminuye un poco; esto es todo promedios. Entonces se enfría un poco.

Déjame ponerlo con un simple ejemplo:

“Imagina que tu estufa está ardiendo a máxima potencia. El calor máximo siempre está cerca de la salida de la llama y, a medida que sube, poco a poco siente que el calor disminuye y más allá de un punto es insignificante, a medida que sube, el calor transportado desde la fuente disminuye. Lo mismo le sucede a nuestra tierra. ”

La disminución de la temperatura con el aumento de las altitudes demuestra que la atmósfera obtiene el calor de la superficie terrestre a través de diversos procesos como conducción, convección y radiación. A medida que la distancia desde la superficie de la tierra (fuente de calor) aumenta, la temperatura del aire disminuye.

La tasa de disminución de la temperatura con altitudes crecientes se llama tasa de lapso normal o gradiente de temperatura vertical y la tasa de lapso es de 6.5 ° C por cada 1000 metros . Esta disminución de temperatura verticalmente es 1000 veces mayor que la tasa de lapso horizontal (disminución de temperatura para latitudes crecientes)

Los otros factores responsables son:

• A medida que avanzamos, la capacidad de transporte de calor disminuye y también cada capa de aire recibe menos calor que la capa que se encuentra debajo de ella.
• La presión del aire también es más alta cerca de la superficie terrestre que las capas superiores. Entonces el aire denso lleva el calor máximo.
• Las capas inferiores de la atmósfera contienen vapor de agua, partículas de polvo, dióxido de carbono que absorbe el calor máximo reflejado desde la superficie de la tierra, lo que calienta las capas inferiores de la atmósfera. También se llama efecto invernadero . El calor queda atrapado en las capas inferiores y hay menos posibilidades de que el calor se mueva hacia arriba.

• Una respuesta estándar de un libro de texto diría que el aire caliente es menos denso que el aire frío, por lo que se eleva. A medida que aumenta, la presión disminuye. Esto se debe a que la columna de atmósfera sobre el paquete de aire es más pequeña, es decir, el “peso” de la atmósfera es más pequeño. A medida que disminuye la presión, el aire se expande y, por lo tanto, “funciona” en su entorno. Si funciona, tiene que gastar algo de energía y, por lo tanto, se enfría. Esta descripción, que es esencialmente lo que todas las otras respuestas han proporcionado, se aplica estrictamente al aire ascendente (vertical). En el caso de una montaña, también está fuertemente influenciada por la advección horizontal de aire frío o, en otras palabras, ¡el viento! Más arriba en la atmósfera, ese aire que acabo de describir que se ha elevado y enfriado ahora se transporta horizontalmente debido a los gradientes de presión y estas masas de aire pueden chocar con las montañas, lo que hace que el aire se eleve aún más y se enfríe, y a menudo se enfría lo suficiente como para precipitarse. lluvia o nieve Pero, la respuesta a su pregunta es simplemente que a medida que el aire caliente sube, se enfría. ¡Si no fuera así, todo el aire seguiría subiendo y subiendo y alejándose y ya no tendríamos una atmósfera! En cambio, el aire se enfría y se estabiliza.

Como dijeron otras personas, el aire caliente sube, no el calor (o al menos difunde mucho, mucho, mucho más lento).
Entonces, el aire caliente sube … Pero si se eleva una cierta cantidad de aire caliente, algo tiene que reemplazarlo, ¿verdad? Por supuesto, está bajando aire frío. Y luego este aire frío es calentado por la superficie caliente de la Tierra y (ligeramente) directamente por el Sol. Durante este tiempo, el aire ascendente caliente se encuentra con más y más aire frío, de baja presión y no más superficie caliente. Entonces, este aire caliente irradia lentamente su calor al espacio y se enfría. Así que ahora el aire caliente está frío y el frío está caliente.

Esto sucede una y otra vez.
A gran escala, esto resulta, en combinación con el efecto Coriolis, en la aparición de grandes células convectivas en la atmósfera.

Circulación atmosférica – Wikipedia

He visto un error común que continúa en las respuestas a esta pregunta. El aire caliente, en sí mismo, no se eleva. Si tuviera una gran masa de aire muy caliente sentada cerca de la superficie de la Tierra, sin otro aire a su alrededor, ¿se elevaría ese aire? Absolutamente no. Se extendería como resultado de colisiones intermoleculares y se hundiría debido a su masa. La única vez que se eleva una masa de aire caliente es cuando está rodeada de aire más frío y denso. Ese aire circundante ejerce una fuerza flotante sobre el aire caliente, haciendo que se eleve. También hay otro concepto erróneo en muchas de las respuestas. Cuando calienta el aire, no necesariamente se expande y se vuelve menos denso. Se expande solo si su entorno lo permite, y luego se expande simplemente porque está empujando el aire circundante, creando más volumen para sí mismo. Consulte la primera columna de Science 101 que figura en el siguiente enlace. Para los miembros que no pertenecen a NSTA, creo que el costo de leer la columna es de $ 1.

http://common.nsta.org/search/de …

Lo diría simplemente, la temperatura y la presión disminuyen con respecto a la altitud. Cuanto mayor es la altitud, menor es la temperatura y la presión. Cuanto más suba (se eleve sobre el nivel del mar), sentirá menos presión ya que la densidad de la atmósfera de la Tierra es menor y menor, con respecto a la altitud (medida sobre el nivel del mar). Digamos, por supuesto, que el volumen masivo de la atmósfera de la Tierra es constante, luego la presión extendida es directamente proporcional a la temperatura afectada. Cuando subes más alto sobre el nivel del mar, sin duda sentirás menos presión y una atmósfera fría. Es la diferencia entre áreas montañosas y llanuras.

W

Buena pregunta !

Sí, tienes razón en que si el aire caliente es más liviano que el frío, entonces obviamente debe subir y, debido a esto, en la cima de la montaña debería calentarse y también podemos decir que el sol está más cerca de la cima de la montaña, por lo que debería primero se calienta en lugar de la superficie.

Pero aquí nos falta una cosa. Todos sabemos que los gases (aire) dependen de la presión y el cambio de presión significa un cambio de temperatura. A gases de alta presión, las moléculas están a un nivel de energía muy alto y a baja presión están a un nivel de energía bajo. Ahora, si aplicamos esta teoría, obtendremos nuestro resultado a grandes altitudes, ya que sabe que hay una presión muy baja y a muy baja presión las partículas de gases pueden moverse libremente, en última instancia, el volumen de partículas a muy baja presión aumentará, por lo que si las partículas son libres de moverse, están haciendo algo de trabajo y si alguien lo hace, la energía disminuye gradualmente y si la energía disminuye, la temperatura definitivamente se enfriará o bajará, por eso en altitudes más altas hay frío.

El calor en el aire proviene del cálido suelo debajo del cual irradia energía infrarroja. Esto hace que la capa más baja de la atmósfera se vuelva menos densa y, por lo tanto, flotante, por lo que se eleva.

A medida que sube, el aire tiene menos peso de atmósfera presionando desde arriba, por lo que su presión disminuye y se expande, lo que hace que se enfríe, ya que la misma energía térmica se distribuye en un volumen mayor. Parte de la energía también se convierte del calor en energía cinética de ese movimiento vertical del aire como en la respuesta de Richard Treitels, pero ese efecto es menor en comparación con el enfriamiento a través de la expansión. La temperatura generalmente cae a una velocidad de 2 a 3 grados C por cada 1000 pies de altura, dependiendo de qué tan húmedo esté el aire.

Hace más frío en la cima de las montañas porque la presión del aire es más baja allí.

OQA: Si el aire caliente se mueve hacia arriba, ¿por qué hace frío y nieva en la cima de las montañas?

Ese movimiento ascendente usa energía. ¿De dónde toma el aire caliente esa energía? De su propio calor. Cuando sube, se enfría; Como señala Tim Hofstetter, se enfría expandiéndose. Por el contrario, cuando el aire frío desciende, se calienta al comprimir.

Hay una cosa llamada “tasa de lapso adiabático”. Es un término elegante para la velocidad a la que la “temperatura” disminuye con la altitud. La razón por la que se siente más frío es porque la densidad del aire disminuye con la altitud. ¿Pero por qué disminuye? Miremos desde el punto de vista de la termodinámica estadística. Sabemos que la energía cinética promedio de una partícula a la temperatura T es [matemática] \ frac {3 \, kT} {2} [/ matemática], donde k es la constante de Boltzmann, [matemática] 1.38 \ 10 ^ {- 23} \, JK ^ {- 1} [/ matemáticas]. Eso nos dice, para una temperatura dada, qué tan rápido se mueve la partícula promedio. Pero cosas como las moléculas de aire también obedecen una ley conocida como la distribución de Boltzmann , que dice que la probabilidad de encontrar una partícula con una energía potencial dada [matemáticas] E _ {\ mathrm {pot}} [/ matemáticas] en un volumen unitario es [ math] e ^ {- \ frac {E _ {\ mathrm {pot}}} {kT}} [/ math]. En otras palabras, cuanto mayor es la energía potencial, es menos probable que encuentre algo con esa energía. La energía potencial de una molécula de masa m a una altura h sobre el suelo es mgh , donde g es la gravedad estándar. Este es el trabajo que tienes que hacer para elevar la molécula a la altura h . La temperatura real de las moléculas, definida como su energía cinética promedio, no cambia mucho con la altura, al menos en la atmósfera inferior, pero el número de ellas sí. La ley de los gases ideales dice que la presión P = nkT donde n es el número de moléculas por unidad de volumen (los gases reales se desvían un poco de esto, pero el principio es el mismo). Incluso si mantenemos a T igual, n disminuye exponencialmente con la altura. Entonces, lo que realmente cambia con la altura es el contenido de calor de la atmósfera. Y es por eso que se siente más frío.

Cuando el aire caliente se eleva desde las montañas hacia el cielo, el aire comienza a ser más pesado y se condensa para formar nubes a gran altitud. Cuando estas nubes se vuelven demasiado pesadas, precipitan y el agua cae sobre las montañas. Pero espera, llamaste nieve cayendo. Entonces, al descender a las montañas, se congela debido a la presión creciente (a medida que la altitud disminuye, la presión aumenta) y la temperatura disminuye.
¡GRACIAS!