TEMA 7: Procesos adiabáticos y estabilidad atmosférica

TEMA 7:
Procesos adiabáticos
y estabilidad atmosférica
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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.
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Proceso adiabático seco
γ = 10ºC/km
En los procesos de ascenso (enfriamiento) y descenso (calentamiento) de
aire no se produce condensación ni evaporación.
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Proceso adiabático saturado
γsat = 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 γsat depende realmente de la humedad, pero se toma un promedio
γsat = 5ºC/km ~ γsec/2
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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.
ρ'
ρ
ρ'
ρ
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
P = ρRT = P’ = ρ’RT’
Por tanto:
ρ T = ρ’ T’
subirá si T > T’
,
bajará si T < T’
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.
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Tipos de
estabilidad
•
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.
Analogía mecánica con una bolita
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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),
Burbuja: γ
Entorno: α
γ > α,
se hace más pesada que él, y
retorna.
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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),
Entorno: α
Burbuja: γ
γ < α,
se hace más ligera que él, y sigue
subiendo.
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Gráfico numérico: estabilidad e
inestabilidad (en aire seco)
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INESTABILIDAD CONDICIONAL
α : gradiente térmico
de la curva de estado.
γ : gradiente térmico de la
curva adiabática seca.
γs : gradiente térmico de la
curva adiabática saturada.
1. A partir del nivel de condensación:
γs < α : INESTABLE
2. Debajo del nivel de condensación:
γ > α : ESTABLE
3. Caso SOBRESALIENTE:
Si la parcela parte desde el suelo y llega por
algún forzamiento al nivel condensación, se
inestabiliza y forman nubes.
La atmósfera estándar (ISA)
α = αISA
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EJEMPLO: Curva de Estado
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APLICAC IONES
DEL
DIAGRAMA
TERMODINÁMICO
DE
STÜVE
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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 rS , hasta que cuando
rS = r, momento en que se alcanza la saturación.
 La línea equisaturada define la razón de mezcla en
saturación (rS) constante para cada combinación
adecuada de T y P.
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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.
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Aplicación 2: Temperatura de disparo (To)
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.
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Aplicación 3: NCA, NCL y NE
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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 Td 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.
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