¿Por qué el aire caliente se eleva y se enfría al expandirse?

Comportamiento de aire caliente

Para entender por qué el aire caliente se expande y se enfría a medida que asciende, es necesario entender algunas de las propiedades del aire. Los científicos llaman a este estudio de la temperatura y la altitud del aire el estudio de los procesos adiabáticos, y se refieren a los cambios en la temperatura como la calefacción o el enfriamiento adiabático. Esto significa que aunque el aire se mueve, se expande, y se hace más caliente o más frío, la energía no se gana o se pierde a través de sus ciclos.

Piensa en una bolsa de aire caliente cerca de la superficie de la tierra. Esta bolsa de aire se suele llamar "paquete" por los meteorólogos, y puede ser calentado por el sol, por el calor irradiado por la Tierra o por el calor atrapado en áreas específicas por el viento o las mareas. Esta energía térmica se transmite a través del paquete de aire en forma de energía cinética, haciendo que todas sus moléculas se muevan más rápido, vibrando y rebotando una de la otra. El aire frío se mueve más lentamente, y ya que sus moléculas se empujan menos las unas a las otras, pueden quedarse más cerca juntas. Las moléculas de aire caliente no puede tenerse tan cerca, sin embargo, y en su rápido movimiento hacen que el paquete de aire sea menos denso. Este aire menos denso se vuelve flotante comparado con su entorno, y se levanta.

Aire ascendente

Ahora, las moléculas de aire caliente tienen espacio para moverse con mayor libertad, y seguirán haciéndolo siempre y cuando el calor les brinde energía cinética extra. Mientras más alto flota el aire caliente, más espacio existe para que sus moléculas se muevan, por lo que continuamente se expande, con su energía empujando hacia afuera y hacia arriba. Aquí el aire se encuentra con un problema de equilibrio debido a las leyes de la termodinámica. La energía de todas sus moléculas puede utilizarse para propulsar las moléculas hacia mayores distancias por lo que puede expandirse más, o la energía puede utilizarse para mantener el aire caliente, pero no puede hacer ambas cosas al mismo tiempo.

La energía del paquete es siempre la misma, no importa lo que el aire esté haciendo. Si esta energía se extiende sobre un área amplia, no puede crear calor estando concentrada en un solo punto. Cuanto más lejos entre si se muevan las moléculas, menor será la temperatura del paquete.

Aire ascendente y patrones del clima

Esto significa que al final, el aire que se eleva finalmente alcanzará la misma temperatura que todo el aire que lo rodea, y dejará de elevarse. Actualmente formando parte del aire frío en la atmósfera superior, permanecerá allí hasta que las bajas temperaturas y los cambios en las condiciones climáticas lo muevan hacia abajo, y el proceso se repita. Esta elevación y expansión del aire es una parte muy importante de todos los patrones del clima, desde la formación de huracanes hasta las estaciones secas y húmedas de climas alternantes. Los científicos han creado fórmulas que predicen la cantidad de calor que pierde el aire en función de su nivel de humedad y qué tan alto se eleva. Cabe señalar que este efecto de enfriamiento no es el mismo que el enfriamiento natural del aire en la parte más alta de la atmósfera, debido a su distancia de la superficie de la tierra.