2.3 Estabilidad

La resistencia de la atmósfera a disminuir o ampliar el movimiento vertical se llama estabilidad. En otras palabras, es la condición del aire que tiende a amortiguar toda convección que se pudiera presentar. Está relacionada con la velocidad del viento y con le cambio de la temperatura en el aire en función de la altura (gradiente térmico vertical). El aire en la atmósfera puede ser estable, inestable o neutro.

Atmósfera Neutra: Cuando no hay aumento ni resistencia de turbulencia mecánica. El gradiente vertical se define por la rapidez de aumento (o disminución) de la temperatura en una parcela (porción) de aire que se expande (o se contrae) adiabáticamente (sin adición ni pérdida de calor) al subir a través de la atmósfera. Esta rapidez de disminución de la temperatura está dada por el gradiente vertical adiabático seco:

Este gradiente se representa con la letra griega gamma G su valor aproximado es de -1.0°C.100m^-1. En la Figura 2.7a se representa este gradiente como una línea discontinua y como una línea continua el aumento de la temperatura de la atmósfera o gradiente térmico ambiental.

Figura 2.7a. . Gradiente térmico vertical y volumen de aire desplazado en una atmósfera neutra (haga clic sobre la imagen para agrandarla)

Atmósfera Inestable: Cuando aumenta la turbulencia mecánica. La temperatura de la atmósfera baja con una tasa mayor que G. Se dice que el gradiente térmico vertical es superadiabático. En la figura 2.7b el gradiente térmico vertical real se indica con línea continua. Si se captura un globo lleno con aire contaminado en la elevación A y se le sube verticalmente 100m hasta la elevación B, temperatura del aire dentro del globo disminuirá de 21.15 a 20.15°C. A un gradiente térmico vertical de -1.25°C.100m^-1, la temperatura del aire fuera del globo bajará de 21.15 a 19.90°C. El aire dentro del globo estará más caliente que el del exterior. Esta diferencia de temperatura le confiere una fuerza ascensional al globo. Si el globo se desplaza adiabáticamente hacia abajo, hasta la elevación C, la temperatura aumentará de 21.15 a 22.15°C. La temperatura fuera del globo aumentará con un gradiente superadiabático hasta 22.40°C. El aire dentro del globo estará más frío, que el aire ambiente y el globo tendrá una tendencia a bajar. Además, aumenta la turbulencia mecánica.

Figura 2.7b. Gradiente térmico vertical y volumen de aire desplazado en una atmósfera inestable (haga clic sobre la imagen para agrandarla).

Atmósfera estable: cuando existe inhibición de la turbulencia mecánica. Si la temperatura de la atmósfera baja con un gradiente menor que G se llama subadiabática. Si de nuevo se infla un globo con aire contaminado a la elevación A, Figura 2.7c, y se desplaza adiabáticamente hasta la elevación B, la temperatura del aire contaminado disminuirá con una rapidez igual al gradiente adiabático seco. Así, al moverlo 100m, la temperatura bajará de 21.15 a 20.15°C, como antes. Sin embargo, como el gradiente térmico ambiente es de 0.5°C.100m^-1, la temperatura del aire fuera del globo habrá bajado sólo hasta 20.65°C. Como el aire dentro del globo es más frío que el aire en el exterior, el globo tenderá a descender.

En consecuencia, se inhibe el desplazamiento mecánico o turbulencia mecánica.En cambio, si el globo se desplaza adiabáticamente a la elevación C, la temperatura dentro de éste se elevará a 22.15°C y la temperatura ambiente se incrementará a 21.65°C. El globo se elevará y habría nuevamente una inhibición del desplazamiento mecánico.

Existen dos casos especiales de gradiente térmico vertical subadiabático. Cuando no hay cambio de temperatura con la altura, el gradiente térmico vertical se llama isotérmico. Por el contrario, si la temperatura aumenta con la altura, este gradiente se llama inversión. La inversión es la forma más severa de un perfil de temperatura estable, frecuentemente, se asocia con volúmenes restringidos de aire que causan los episodios de contaminación del aire.

Figura 2.7c. Gradiente térmico vertical y volumen de aire desplazado en una atmósfera estable (haga clic sobre la imagen para agrandarla).

Ejemplo 11.2. Para los siguientes datos de temperatura y elevaciones determínese la estabilidad de la atmósfera