TEMA 7: Procesos adiabáticos y estabilidad atmosférica 1
Procesos adiabáticos Los movimientos verticales del aire, aún siendo de menor escala que los movimientos horizontales, juegan un papel muy importante en la producción o disipación de nubes, precipitación, turbulencia y otros fenómenos que afectan a la Aviación. Se considera que un volumen de aire, debido a la rapidez de sus ascensos o descensos, no se mezcla con los alrededores, y que los procesos de expansión (ascensos) y compresión (descensos) que tienen lugar en dichos movimientos son adiabáticos. 2
Proceso adiabático seco γ = 10ºC/km En los procesos de ascenso (enfriamiento) y descenso (calentamiento) de aire no se produce condensación ni evaporación. 3
Proceso adiabático saturado γ sat = 5ºC/km El enfriamiento en el ascenso es menor (del orden de la mitad) debido a la aparición de calor por la condensación de vapor de agua. El calentamiento en descenso es también menor debido al calor perdido por la evaporación. El coeficiente γ sat depende realmente de la humedad, pero se toma un promedio γ sat = 5ºC/km ~ γ sec /2 4
Estabilidad y Inestabilidad Para ver la tendencia a subir o bajar de una parcela de aire (burbuja), se compara la temperatura de la burbuja desplazada verticalmente, con la temperatura del entorno. Es análogo a comparar sus densidades. Burbuja : ρ Entorno: ρ Estando inicialmente en reposo: subirá si ρ < ρ, bajará si ρ > ρ El movimiento de la burbuja es tal que la presión en la burbuja (P) y en el entorno (P ) son iguales Por tanto: P = ρrt = P = ρ RT ρ T = ρ T subirá si T > T, bajará si T < T ρ ρ' ρ ρ' Figura cualitativa de ESTABILIDAD: volumen de aire desplazado de su nivel de equilibrio. A la izquierda, hay estabilidad y vuelve a su posición original. A la derecha, se aleja cada vez más de su posición inicial, hay inestabilidad. 5
Tipos de estabilidad Analogía mecánica con una bolita ESTABILIDAD: El volumen de aire regresa a su posición inicial, oponiéndose a los movimientos verticales. INESTABILIDAD: continúa el desplazamiento vertical (ascendiendo o descendiendo), aún cuando la fuerza que lo ha impulsado cese. INESTABILIDAD condicional: se resiste al desplazamiento vertical hasta un determinado punto, a partir del cual se mueve espontáneamente, sin la ayuda de fuerzas externas. ESTABILIDAD indiferente: por causa del forzamiento inicial, se desplaza hasta un determinado nivel, en el cual se detiene. 6
ESTABILIDAD α : gradiente térmico de la curva de estado, en ºC/km γ : gradiente térmico de la curva adiabática, en ºC/km α < γ: ESTABILIDAD. Una burbuja que sube y que se expande adiabáticamente (γ), se enfría más rápidamente que su entorno (α), γ > α, se hace más pesada que él, y retorna. Burbuja: γ Entorno: α 7
INESTABILIDAD α : gradiente térmico de la curva de estado, en ºC/km γ : gradiente térmico de la curva adiabática, en ºC/km α > γ: INESTABILIDAD. Una burbuja que sube y que se expande adiabáticamente (γ), se enfría más lentamente que su entorno (α), γ < α, se hace más ligera que él, y sigue subiendo. Entorno: α Burbuja: γ 8
Gráfico numérico: estabilidad e inestabilidad (en aire seco) 9
INESTABILIDAD CONDICIONAL α : gradiente térmico de la curva de estado. γ : gradiente térmico de la curva adiabática seca. γ s : gradiente térmico de la curva adiabática saturada. 1. A partir del nivel de condensación: γ s < α : INESTABLE 2. Debajo del nivel de condensación: γ > α : ESTABLE Si la parcela parte desde el suelo y llega por algún forzamiento al nivel condensación, se inestabiliza y forman nubes. 3. Caso SOBRESALIENTE: La atmósfera estándar (ISA) α = α ISA 10
EJEMPLO: Curva de Estado 11
APLICAC IONES DEL DIAGRAMA TERMODINÁMICO DE STÜVE 12
Aplicación 1: Base y cima de cúmulos Mientras una parcela sube no se altera el valor de la razón de mezcla, r(g/kg). Sí disminuye, por enfriamiento, la de saturación r S, hasta que cuando r S = r, momento en que se alcanza la saturación. La línea equisaturada define la razón de mezcla en saturación (r S ) constante para cada combinación adecuada de T y P. 13
Aplicación 1: Base y cima de cúmulos Nivel de condensación convectivo (NCC): es el nivel a partir del cual, una masa de aire que asciende por vía adiabática, inicia su condensación. La altura de la base de los cúmulos que se forman por convección (NCC), se determina siguiendo la equisaturada que pasa por la temperatura del punto de rocío en superficie, hasta que se corta con la curva de estado T (P). La altura del NCC varia en función de la humedad y de la temperatura, aumentando conforme disminuye la humedad o se eleva la temperatura. Cima de cúmulos: para determinar la cima de cúmulos se sigue la adiabática saturada que pasa por el NCC, hasta que vuelve a cortar a la curva de estado T (p). El desarrollo vertical de los cúmulos, en casos extremos, puede llegar hasta la tropopausa. Su límite superior también depende de la humedad de las capas altas de la atmósfera. 14
Aplicación 2: Temperatura de disparo (T o ) Es la temperatura que debe alcanzar el aire junto a la superficie para que se produzca el ascenso convectivo. Se determina siguiendo la adiabática seca desde el NCC hasta el suelo. 15
Aplicación 3: NCA, NCL y NE 16
Aplicación 3: NCA, NCL y NE NCA: Nivel de condensación por ascenso forzado (NCA). Cuando una masa de aire es forzada a ascender, por cualquier razón dinámica, se enfría. El nivel en el cual se produce la condensación, se denomina nivel de condensación por ascenso forzado (NCA). Este nivel coincide, en el diagrama, con aquél donde se cortan la adiabática seca que pasa por T(p) en el suelo, y la equisaturada que pasa por T d en el suelo. NCL: Nivel de convección libre. Cuando una masa de aire forzada a ascender, supera en su ascenso el NCA, evoluciona según la adiabática saturada. El punto en el que ésta corta a la curva de estado es el NCL, nivel a partir del cual la masa sigue ascendiendo sin necesidad de forzamiento externo, debido a la existencia de inestabilidad. NE: Nivel de equilibrio. Es el punto a partir del cual, una vez pasado el NCL, hay estabilidad. 17