Nivel de condensación de la capa convectiva

El gradiente vertical de temperatura de las capas bajas varía en el curso del día y de la noche y se ha visto cómo puede formarse una inversión de temperatura.

En el curso del día, la radiación solar suministra calor a la superficie terrestre. Este calor es transferido a las capas bajas de la atmósfera tendiendo a aumentar el valor del gradiente vertical de temperatura. Se establecen en estas capas corrientes verticales convectivas y el gradiente toma el valor del enfriamiento adiabático seco.

La imagen representa esta evolución con la formación de una capa de gradiente adiabático seco de espesor creciente.

Puede suceder que, con el aumento de lo temperatura en superficie, el espesor de la capa convectiva sea tal que la condensación se produzca en su parte superior, en a.

El nivel de condensación así definido es el nivel de condensación de la capa convectiva. La temperatura en superficie que le corresponde es la temperatura de formación de los cumulus.

Nivel de condensación de la capa convectiva

En efecto, cuando la temperatura en superficie adquiere este valor y el estrato de gradiente adiabático seco llega hasta el nivel de condensación de la convección se forman cumulus cuya base está próxima a este nivel.

Se ha estudiado la estabilidad estática de la atmósfera y sus relaciones con los movimientos verticales. Esto puede provocar la formación de nubes si el movimiento alcanza el nivel en el que se produce la condensación del vapor de agua.

Gradiente Vertical de Temperatura

El conocimiento de la distribución vertical de la temperatura permite a los meteorólogos determinar para todos los niveles el gradiente vertical de temperatura, es decir, el ritmo de disminución de la temperatura con lo altitud.

El gradiente vertical de temperatura (en abreviatura G.V.T.) es positivo cuando la temperatura decrece al crecer la altitud. Cuando en una capa atmosférica la temperatura crece con la altitud, el gradiente es negativo y se dice que existe una inversión de temperatura.

El valor de gradiente vertical de temperatura difiere en general del correspondiente al enfriamiento adiabático del aire seco y del aire nuboso y estas diferen­cias pueden ser la causa de importantes fenómenos atmosféricos.

Presión Atmosferica: Corrección del error de temperatura

Las lecturas del barómetro deben ser reducidas a los valores que se ob­tendrían si el mercurio y la escala estuviesen sometidos a la tempera­tura normal de 0°c.

Los barómetros destinados a fines meteorológicos son calibrados comparándolos con barómetros patrones de gran precisión. En el primer cali­brado, todas las diferentes partes del barómetro, tales como el mercu­rio, la escalas, la cubeta, el tubo de vidrio, etc. Se llevan a la tem­peratura de 0°c. Toda desviación respecto a esta temperatura modifica las dimensiones de los diferentes órganos.

Por esta razón, cada barómetro lleva colocado un termómetro en un sitio tal que indique la temperatura media de los diversos órganos que compo­nen el instrumento. Este termómetro se llama termómetro unido. Su lec­tura permite corregir las medidas barométricas reduciéndolas a la tempe­ratura normal de 0°c.

Variación de la temperatura con la altitud

Esta variación decreciente de la temperatura en función de la alti­tud se llama gradiente térmico vertical.

En la troposfera, el gradiente térmico vertical tiene un valor medio apro­ximado de 6°c por kilómetro. Esto significa que si, por ejemplo, lo temperatura al nivel del mar es de 15°c, a la altitud de 5 km. Aproximadamente, alcanzaré el valor de -15°c (o sea: una baja de 30°c).

En las capas inferiores de la estratosfera, la temperatura no varía prácticamente con la altitud. Por lo tanto, el gradiente térmico vertical es nulo. Enton­ces se dice que esto parte de la atmósfera es isoterma (isoterma significa "de igual temperatura").

Si en ciertas regiones de la atmósfera la temperatura crece con la altitud, se dice, entonces, que el gradiente de temperatura vertical es negativo. Conviene re­cordar que, según esto, a un gradiente vertical negativo le corresponde un aumento de temperatura con la altitud. Por ejemplo: si la temperatura aumenta 2°c para un desnivel de 1 km., se dice que el gradiente térmico vertical es igual a -2°c por kilómetro.

Normalmente, en la troposfera, la temperatura decrece con la altitud. El gradiente térmico es, en promedio, positivo e igual a 6°c por km, aproximadamente.

Sin embargo, puede suceder que, en ciertas capas de la troposfera, la tempe­ratura aumente con la altitud. En este caso se dice que hay una inversión de tempera­tura dado que la variación normal de la temperatura en la troposfera está entonces invertida.

En la termosfera, la temperatura crece con la altitud y, por lo tanto, el gradiente vertical térmico vuelve a ser negativo en esta región de la atmósfera.

La temperatura de la atmósfera afecta a su densidad, la cual determina el peso de la columna de aire que está encima de la superficie sobre la cual se ejerce este peso, es decir: la presión atmosférica.

Variación diurna de la temperatura del aire en superficie

En el transcurso del día, las variaciones de temperatura son mucho menos marcadas sobre el mar que sobre la tierra. Lo variación diurna de la temperatura del agua del mar en lo superficie es generalmente inferior a 1°c y, por lo tanto, lo tempera­tura del aire cerca de lo superficie del mar es también estable para tiempo en calma.

Por el contrario, para las regiones desérticas situadas en el interior de los continentes, la temperatura del aire puede variar hasta 20°c entre el día y la noche. Cerca de los costas, esto variación de la temperatura depende mucho de lo di­rección del viento: lo amplitud de la variación es muy mercada si el viento viene de tierra, pero es más débil si el viento viene del mar. Las brisas locales de tierra y mar también tienden a atenuar la amplitud diurna de la temperatura.

Por regla general, cuando el tiempo está en calma la variación diurna de la temperatura del aire en superficie es más marcada. Si hay viento, el aire es removido en un espesor muy grande. Las ganancias y pérdidas de calor que se producen respectivamente durante el día y la noche, se reparten en un gran número de moléculas de aire y resulta que la amplitud diurna de la temperatura puede disminuir cuando hay viento.

En un lugar dado, la nubosidad reduce la amplitud diurna de la temperatura. Durante el día, las nubes no absorben o no difunden más que una débil parte de la ra­diación solar. Lo mayor parte de esta radiación es reflejada hacia el espacio y no alcanza, por lo tonto, la superficie de la tierra.

Por el contrario, de noche, los nubes absorben la radiación de gran longi­tud de onda difundida hacia el espacio por la superficie terrestre y vuelven o enviar i a esta superficie la energía calórica. Las nubes hacen, pues, el papel de una tapadera que impide que la superficie de la tierra se enfríe. Por lo tonto, con tiempo cu­bierto, a amplitud diurna de temperatura es relativamente débil.

También influyen en la amplitud diurno de la temperatura del aire en super­ficie, la naturaleza de la superficie terrestre y la conductibilidad térmica de la capa subyacente. Asimismo, tiene importancia la naturaleza del terreno circundante, pues la temperatura de un lugar dado puede ser modificada por el flujo de aire cáli­do o de aire frío que viene de las zonas vecinas.

Por ejemplo, la radiación nocturna produce un enfriamiento superficial de lo tierra. El aire situado en la proximidad del suelo se enfría y se vuelve más pe­sado. Si el terreno está en pendiente, este aire frío desciende hacia niveles inferiores (viento catabático). Durante el día se produce el fenómeno inverso a causo del calentamiento de la pendiente, el aire que se encuentra en contacto con el suelo se calienta y sube a lo largo de esto pendiente (viento anabático); el aire más frío y, por lo tanto, más denso, viene a remplazar por abajo al que se elevo. Sin embargo, un viento anabático es generalmente menos fuerte que un viento catabático, a causa de la gravedad que actúa en contra del movimiento ascendente.

La influencia del medio ambiente circundante se hace evidente en las gran-des ciudades. En noches claras y calmas, las temperaturas registradas en el centro de la ciudad pueden sobrepasar en 5°c las observadas o proximidad de campos de depor­tes. Durante el día, las temperaturas están igualmente influenciadas por el calor desprendido por los edificios de la ciudad y por todo género de actividades que en ella se desarrollan.

Temperatura del aire en superficie

En lenguaje meteorológico, se entiende por temperatura del aire en superficie la temperatura del aire libre a una altura comprendida entre 1,25 m y 2 m sobre nivel del suelo. Generalmente se admite que esta temperatura es representativa de las condiciones a que están sometidos los seres vivientes en la superficie de la tierra.

Esa temperatura del aire a ser definida puede, sin embargo, ser diferente de la temperatura del suelo. En un día calido y soleado la temperatura del suelo puede ser superior a la temperatura del aire en superficie, mientras que por lo contrario puede ser netamente inferior durante las noches frías o glaciales.

Principales tipos de termómetros

A continuación se dan datos sobre la estructura y funcionamiento de los principales modelos de termómetros.

A) termómetro de líquido en tubo de vidrio.

Los líquidos que se utilizan más frecuentemente son el mercurio y el alcohol etílico. El mercurio no se puede emplear como líquido termométrico más que por encima de los -36°c, ya que su punto de congelación se encuentra justamente a esta temperatura. Para temperaturas más bajas, el alcohol etílico puro de 100/100 da resultados satisfactorios.

Este termómetro está constituido por un depósito de vidrio, esférico o cilíndrico, que se prolonga por un tubo capilar también de vidrio, cerrado en el otro extremo. Por el calor, el líquido encerrado en el depósito pasa al tubo y hace subir la columna capilar. La temperatura se lee sobre la graduación que corresponde al extremo de la columna de líquido cuando se para.

Existen termómetros de líquido en tubo de vidrio especialmente realizados para medir la temperatura más alta (máxima) o la más baja (mínima) que experimenta el termómetro.

B) termómetros de liquido en envoltura metálica.

El órgano sensible de este termómetro es, realmente, un manómetro calibrado para indicar temperaturas. Este tipo de instrumento se utiliza a menudo como termómetro en los motores de automovil.

Algunos termógrafos también están basados en este principio. En este caso, el estilete indicador tiene en su extremo una pluma con tinta que se desplaza sobre un diagrama arrollado en un cilindro que gira a velocidad constante.

C) termómetros de par termoeléctrico.

Un termopar se compone de dos hilos de metales diferentes soldados en sus extremos. Cuando las temperaturas de cada soldadura son diferentes, se origina una fuerza electromotriz que es función de esta diferencia de temperaturas; la cual viene indicada por un voltímetro calibrado para este fin.

Los termómetros de par termoeléctricos se utilizan mucho como pirómetros, es decir como instrumentos para medir temperaturas muy elevadas. También en ciertas aplicaciones especiales se emplean para medir bajas temperaturas.

D) termómetros bimetalicos.

El órgano sensible llamado lámina bimetálica está formado por dos láminas metálicas escogidas entre metales que tengan sus coeficientes de dilatación lo más diferente posible, y están soldadas una contra la otra, a lo largo de toda su longitud. Cuando la temperatura varía, una de las láminas se dilata más que la otra, obligando a todo el conjunto a curvarse sobre la lámina más corta.

Las láminas bimetálicas pueden estar inicialmente enrolladas en espiral. En este caso la lámina interior está hecha del metal que se dilata más, de esta forma cuando la temperatura aumenta, la espiral se desenrolla. Este movimiento se amplifica por un sistema de palancas sujetas a la extremidad libre de la espiral y que termina en una aguja que indica la temperatura.

Este principio generalmente se emplea en los termógrafos para obtener un registro continuo de la temperatura.

E) termómetros de resistencia de platino.

El principio en que se basa el funcionamiento de este termómetro es la variación de resistencia de un hilo de platino en función de la temperatura. Una pila proporciona la corriente eléctrica y un aparato de medida permite traducir las variaciones de resistencia en indicaciones de temperatura. También se puede construir este tipo de instrumentos de forma tal que proporcionen un registro continuo de la temperatura (termógrafo).

El termómetro de resistencia de platino es un instrumento muy preciso que permite medir una gran gama de temperaturas.

F) termistancias

La conductividad de ciertas sustancias químicas varía notablemente con la temperatura; su resistencia eléctrica disminuye cuando la temperatura aumenta. Esta propiedad es la que se aprovecha para construir los termómetros de termistancias.

Estos instrumentos tienen la ventaja de que son robustos y de pequeñas dimensiones, y por esta razón se utilizan como termómetros de los radiosondas. La resistencia del circuito eléctrico varía a medida que la temperatura cambia con la altitud, y estas variaciones modulan las señales radioeléctricas transmitidas a un receptor que se encuentra en la superficie de la tierra. Estas señales se registran en un diagrama que, una vez analizado, permite determinar la temperatura del aire a diferentes niveles hasta una altitud de 30 km., aproximadamente.

Procesos físicos empleados en termometría

Existen numerosos tipos de termómetros y en general están basados en los siguientes efectos del calor:

A) Dilatación del líquido encerrado en un tubo de vidrio;

B) Dilatación de un líquido dentro de una envoltura metálica estanca y que provoca un aumento de presión;

C) Desarrollo de una fuerza electromotriz entre las soldaduras de un circuito formado por dos metales diferentes (termómetro de termopar);

D) Cambio de curvatura de una banda de metal compuesta por dos láminas metálicas que tienen coeficientes de dilatación diferentes y que están soldados en toda su longitud (termómetro de lámina bimetálica);

E) Variación de la resistencia eléctrica de un hilo de platino;

F) Variación de la resistencia de una mezcla especial de sustancias químicas (termómetro de termistancia).

Algunos de estos efectos se utilizan también en los termógrafos, que son termómetros registradores que dan una gráfica continua de las temperaturas.

Escala Kelvin de temperatura

Para los trabajos científicos se utiliza mucho otra escala de temperaturas llamada escala kelvin. La relación entre esta escala y la escala celsius viene dada la por la fórmula:

K = 273.15

Por ejemplo: 20°c equivalen a 293.15°k. Esta escala también se llama escala absoluta de temperatura.

El punto fijo fundamental de esta escala kelvin es el punto triple del agua pura, es decir la temperatura a la cual el agua está en equilibrio simultáneamente en sus tres estados: só1ido, líquido y gaseoso. La temperatura asignada a este punto es 273.16°k, es decir, 0,01°k más que al punto de fusión.

Escalas de temperaturas Celsius y Fahrenheit

Las escalas prácticas de temperatura se basan en dos puntos fijos. Estos puntos corresponden a temperaturas corrientes que pueden reproducirse fácilmente. Los dos puntos fijos reconocidos internacionalmente son el punto de fusión del hielo y el punto de ebullición del agua.

El punto de fusión del hielo es la temperatura a la cual el hielo puro funde cuando la presión externa es igual a una atmósfera normal. Esta presión es la que equilibra una columna de mercurio de 76,0 cm de altura y es igual a 1013,25 mb.

El punto de ebullición del agua es la temperatura a la cual el agua pura hierve cuando la presión externa es igual a una atmósfera normal.

Las dos escalas de temperatura que se utilizan mas frecuentemente son la escala celsius y la fahrenheit.

En la escala celsius (o escala centígrada) 0° corresponde al punto de fusión del hielo, mientras que 100° corresponde al punto de ebullición del agua.

En la escala fahrenheit al punto de fusión del hielo se le asigna 32°f y al punto de ebullición del agua le corresponde 212°f.

Se observara que entre el punto de fusión del hielo y el punto de ebullición del agua hay 180 divisiones en la escala fahrenheit, mientras que en la escala celsius sólo hay 100. Por lo tanto, a cada división de la escala celsius le corresponde 9/5 de división de la escala fahrenheit.

Por otra parte, la temperatura asignada al punto de fusión del hielo en la escala fahrenheit excede en 32° a la temperatura correspondiente a este punto de la escala celsius.

Temperatura del aire

El concepto más elemental de temperatura es el resultado de una sensación. En efecto, cuando se toca un cuerpo se dice que está caliente o frío, según la sensación que se experimente.

Pero esta idea es insuficiente. La temperatura de un cuerpo es la condición que determina si el cuerpo es apto para transmitir calor a otros o para recibir el calor transmitido por estos. En un sistema compuesto por dos cuerpos, se dice que uno de ellos tiene mayor temperatura cuando cede calor al otro.