Magnitudes meteorológicas, climatológicas y atmosféricas
gradiente térmico o gradiente de temperatura a la variación de temperatura por unidad de distancia. La unidad del gradiente térmico en elsistema internacional es el Kelvin/metro. Típicamente, la existencia de un gradiente térmico provoca una transferencia de calor desde el cuerpo más caliente hacia el cuerpo más frío.
Gradiente térmico atmosférico
En la atmósfera terrestre existe un gradiente térmico variable en función de la altitud respecto del nivel del mar. La Atmósfera Estándar Internacional define un conjunto estandarizado de gradientes térmicos para las diferentes capas de la atmósfera, basados en valores promedio, que se utiliza principalmente para la navegación aérea.
En la capa más inferior, la troposfera (hasta los 12.000 m de altitud), el gradiente térmico estándar es de -6,5 grados porkilómetro. Dicho valor equivale a un descenso de temperatura de un grado por cada 154 m de altura. Este gradiente térmico determina la estructura y concepto de los pisos térmicos.
En la práctica el gradiente térmico varía localmente según la zona geotérmica y según sea la orientación de las laderas overtientes (vertientes de solana o de umbría, por ejemplo). Existe además un gradiente térmico dependiendo de la latitud. La existencia de estos gradientes es uno de los factores determinantes de la circulación atmosférica a gran escala, junto con el efecto Coriolis.1
Zona intertropical
En la zona intertropical, sobre todo en las áreas próximas al ecuador, la temperatura disminuye un grado por cada 180 m de altitud, como estableció Antonio Goldbrunner. Este menor gradiente se debe al mayor espesor en la zona ecuatorial, tanto de laatmósfera en general como de la troposfera en particular, debido a la fuerza centrífuga del movimiento de rotación de la Tierra. En otras palabras, como la zona ecuatorial es la zona de convergencia intertropical, los alisios del NE y los alisios del SE convergen y se elevan, produciendo una faja latitudinal de bajas presiones junto al círculo ecuatorial cuyo espesor exagera aún más las dimensiones del abultamiento ecuatorial terrestre. En suma, al ser una zona de bajas presiones, el aire caliente se eleva a gran altura, lo que da origen también a las grandes dimensiones de los cumulonimbos (nubes de desarrollo vertical) que llegan a tener el doble de altura que en las zonas templadas.
Zona templada
El gradiente térmico en las zonas templadas es mayor que en la zona intertropical, lo cual se debe, por una parte, al menor espesor de la atmósfera en las zonas templadas, y por la otra, a la menor insolación que recibe. Por otra parte, las variaciones en la insolación por la orientación del relieve son muy fuertes en las zonas templadas, como se puede ver en la ubicación de pueblos y caseríos en los Alpes, mucho más numerosos y elevados en las vertientes de solana, por ejemplo en el alto valle del Ródano.
Gradiente geotérmico
En el interior de la Tierra la temperatura también varía con la profundidad, aunque no de forma lineal. El gradiente es más elevado en la capa más externa -la corteza- y es menor en el manto y el núcleo. La rama de la geofísica que estudia los cambios de temperatura es la geotermia.
El valor promedio del gradiente de temperatura en la corteza es aproximadamente de 30 °/km. A mayores profundidades la temperatura no aumenta al mismo ritmo, se estima que en el núcleo externo se encuentra a unos 4.800 K.2
El calor existente en el subsuelo puede ser utilizado como una fuente de energía, con aplicaciones prácticas en el ámbito de lageneración de electricidad, la desalinización del agua o simplemente para calefacción.
Descripción matemática
La temperatura es un magnitud intensiva que adopta un valor distinto para cada punto del espacio, por lo que puede ser descrito como un campo escalar:
en el que 
son las coordenadas del punto considerado. Asumiendo que el valor de la temperatura viene dado por un función continua y diferenciable, el gradiente
se define mediante derivadas parciales como el vector:
son las coordenadas del punto considerado. Asumiendo que el valor de la temperatura viene dado por un función continua y diferenciable, el gradiente se define mediante derivadas parciales como el vector:
- En general, la temperatura disminuye con la altura. Esta variación decreciente de la temperatura en función de la altura se llama gradiente térmico vertical.En la troposfera, el gradiente térmico vertical tiene un valor aproximado de séis grados por kilómetro. Esto significa que si, por ejemplo, la temperatura al nivel del mar es de 15 grados, a la altitud de cinco kilómetros, aproximadamente, alcanzará el valor de -15 grados (una disminución de 30 grados).
- En las capas más bajas de la estratosfera la temperatura no varía, prácticamente, con la altura. Por lo tanto, el gradiente térmico vertical es nulo. Entonces se dice que esta parte de la atmósfera es isoterma (que significa “de igual temperatura”).Si en ciertas regiones de la atmósfera la temperatura aumenta con la altura, se dice, entonces, que el gradiente de temperatura vertical es negativo. Por ejemplo: si la temperatura aumenta 21 grados para un desnivel de 1 km, se dice que el gradiente térmico vertical es igual a -2ºC por km.Normalmente en la troposfera, la temperatura decrece con la altura. El gradiente térmico es, en promedio, positivo e igual a 6ºC por km, aproximadamente. Sin embargo, puede suceder que, en ciertas capas de la troposfera, la temperatura aumente con la altura. 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.También se producen inversiones de temperatura en la parte superior de la estratosfera. Por el contrario, en lamesosfera la temperatura disminuye por término medio cuando se asciende, es decir: el gradiente térmico vertical es positivo.En la termosfera, la temperatura crece con la altura y, por lo tanto, el gradiente térmico vertical vuelve a ser negativo en esta región de la atmósfera.
- Se denomina humedad al agua que impregna un cuerpo o al vapor presente en la atmósfera. El agua está presente en todos los cuerpos vivos, ya sean animales o vegetales, y esa presencia es de gran importancia para la vida.
Humedad del aire
Es la cantidad de vapor de agua presente en el aire, se puede expresar de forma absoluta mediante la humedad absoluta, o de forma relativa mediante la humedad relativa o grado de humedad. La humedad relativa es la relación porcentual entre la cantidad de vapor de agua real que contiene el aire y la que necesitaría contener para saturarse a idéntica temperatura.La humedad del aire es un factor que sirve para evaluar la comodidad térmica del cuerpo vivo que se mueve en cierto ambiente. Sirve para evaluar la capacidad del aire para evaporar la humedad de la piel, debida a la transpiración fundamentalmente. También es importante, tanto la del aire, como la de la tierra, para el desarrollo de las plantas.El vapor de agua tiene una densidad menor que el aire, luego el aire húmedo (mezcla de aire y vapor) es menos denso que el aire seco. Además, las sustancias, al calentarse, dilatan, luego tienen menor densidad. El aire caliente que contiene vapor de agua se eleva en la atmósfera. La temperatura de la atmósfera disminuye una media de 0,6 °C cada 100 m. Al llegar a zonas más frías el vapor de agua se condensa y forma las nubes (de gotas de agua o cristales de hielo). Cuando estas gotas de agua o cristales de hielo pesan demasiado caen y originan las precipitaciones en forma de lluvia o nieve.Humedad del suelo
El contenido de humedad en los suelos es la cantidad de agua que el suelo contiene en el momento de ser extraído. Una forma de conocer el contenido de humedad es pesar la muestra cuando se acaba de extraer, m1, y después de haberla mantenido durante 24 horas en un horno a una temperatura de 110 °C se vuelve a pesar, m2, y se halla el porcentaje de humedad con:Porcentaje de Humedad =
.m1 = Masa de la muestra recién extraída.m2= Masa de la muestra después de estar en el horno.Humedad en los alimentos
La humedad en los alimentos, es un parámetro de importancia desde el punto de vista económico y de la calidad, y de las cualidades organolépticas y nutricionales. Debido a ello su medición está incluida dentro del Análisis Químico Proximal de los alimentos (en el cual se mide principalmente el contenido de humedad, grasa,proteína y cenizas).1Humedad de los materiales de construcción
Es importante conocer la humedad que contienen los materiales de construcción por dos razones:- cuanto más contenido de humedad tienen, menor resistencia ofrecen al paso del calor.
- cuando el contenido de humedad es grande y se produce una helada, el agua se congela desmenuzando la pieza.
El contenido de humedad de una pieza situada en ciertos ambientes, puede conocerse con un proceso semejante al descrito para conocer la humedad del suelo.- Humedad absoluta a la cantidad de vapor de agua (generalmente medida en gramos) por unidad de volumen de aire ambiente (medido en metros cúbicos).Es uno de los modos de valorar la cantidad de vapor contenido en el aire, lo que sirve, con el dato de la temperatura, para estimar la capacidad del aire para admitir o no mayor cantidad de vapor.
- humedad del aire se debe al vapor de agua que se encuentra presente en la atmósfera. El vapor procede de la evaporación de los mares y océanos, de los ríos, los lagos, las plantas y otros seres vivos. La cantidad de vapor de agua que puede absorber el aire depende de su temperatura. El aire caliente admite más vapor de agua que el aire frío.Una forma de medir la humedad atmosférica es mediante el higrómetro.El vapor de agua tiene una densidad menor que el aire, luego el aire húmedo (mezcla de aire y vapor) es menos denso que el aire seco. Además, las sustancias, al calentarse, dilatan, luego tienen menor densidad. El aire caliente que contiene vapor de agua se eleva en la atmósfera. La temperatura de la atmósfera disminuye una media de 0,6 °C cada 100 m en adiabática húmeda, y 1,0 °C, en adiabática seca. Al llegar a zonas más frías el vapor de agua se condensa y forma las nubes (de gotas de agua o cristales de hielo). Cuando estas gotas de agua o cristales de hielo pesan demasiado caen y originan las precipitaciones en forma de lluvia o nieve.
Evaluación de la humedad del aire ambiente
Hay varios modos de estimar la cantidad de vapor en el aire ambiente, cada una de ellas con aplicación en una ciencia o técnica específica. Son:Humedad absoluta
La humedad absoluta es la masa total de vapor de agua existente en el aire por unidad de volumen, y se expresa en gramos por metro cúbico de aire. La humedad atmosférica terrestre presenta grandes fluctuaciones temporales y espaciales.El cálculo es:donde:
es Humedad Absoluta
es la masa de vapor de agua
es el volumen de aire
Humedad específica
La humedad específica mide la masa de agua que se encuentra en estado gaseoso en un kilogramo de aire húmedo, y se expresa en gramos por kilogramo de aire (g/kg).Razón de mezcla
La razón de mezcla o relación de mezcla, es la cantidad de vapor de agua contenido en el aire medido en gramos de vapor por kilogramo de aire seco (g/kg). En la práctica es muy semejante a la humedad específica, pero en ciertas aplicaciones científicas es muy importante la distinción.Humedad relativa
La humedad relativa de una masa de aire es la relación entre la cantidad de vapor de agua que contiene y la que tendría si estuviera completamente saturada; así cuanto más se aproxima el valor de la humedad relativa al 100 % más húmedo está.Se calcula así:
donde:
es la humedad relativa de la mezcla de aire (%).
es la presión parcial de vapor de agua en la mezcla de aire (Pa).
es la presión de saturación de agua a la temperatura de la mezcla de aire (Pa).
Presión parcial del vapor de agua
La presión parcial del vapor de agua es la parte de la presión atmosférica total ejercida por el vapor de agua contenido en la atmósfera. Se expresa en unidades de presión, milibares o cm o mm de mercurio.El comportamiento de la mezcla de aire seco y vapor de agua sigue la ley de Dalton de las presiones parciales, de acuerdo a sus respectivas propiedades. (La presión total de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales de sus componentes. Pt = p1 + p2 + p3 +... y la presión parcial es la presión que ejercería cada componente en las mismas condiciones del sistema).Presión de saturación
Cuando el aire está saturado de vapor de agua, la presión parcial del vapor recibe el nombre de presión de saturación, el cual depende de la temperatura. Cuanto más caliente está una masa de aire, mayor es la cantidad de vapor de agua que admite. A temperaturas bajas puede almacenar menos vapor de agua. Cuando una masa de aire caliente se enfría se desprende del vapor que le sobra en forma de rocío o de precipitación.Punto de rocío
Cuando la humedad relativa alcanza el valor 100% se producen fenómenos de condensación. Un ejemplo de ello es el rocío, que se debe a que, cuando la humedad relativa del aire ha alcanzado el 100%, el aire no admite más agua, por lo que el sobrante, condensa en forma líquida en superficies de los objetos, hojas, flores, etc.Esto se produce cuando la temperatura desciende hasta el punto de rocío; lo normal es que se mantenga la cantidad de agua del ambiente constante y, si disminuye la temperatura, la humedad relativa va aumentando hasta que llega un momento en que se alcanza el 100 %. Si sigue bajando la temperatura, el exceso de humedad (lo que supera el 100 %) condensa en agua líquida. Por ejemplo: el aire a 24 °C con un 50 % de humedad relativa, contiene unos 9 g de vapor por kilogramo de aire seco; si la temperatura del aire baja hasta los 13 °C, llegará al 100 % y, en ese momento empezará a condensar.1 Si esto ocurre en el exterior, se formará rocío; en un local cerrado puede ocurrir en un lugar determinado, como en el vidrio de una ventana que tenga la temperatura de rocío y se condensará el agua en él.El rocío, en el exterior, se puede producir tanto en invierno como en verano (en este caso en climas continentales, en los que hay gran contraste de temperaturas entre el día y la noche). Cuando este fenómeno ocurre en invierno, con temperaturas por debajo de 0 °C, la helada convierte el rocío en escarcha.Instrumento de medida
El grado o cantidad de humedad de aire se mide con el higrómetro. Cuando el higrómetro marca el 100 % se dice que el aire estásaturado, es decir, contiene el máximo de humedad y es incapaz de admitir más vapor de agua.La humedad en la comodidad del cuerpo humano
La humedad relativa está relacionada con la comodidad personal. La evapotranspiración es un fenómeno necesario para disipar el calor producido en el cuerpo humano. En ambientes fríos es conveniente limitarla para evitar pérdidas de calor excesivas, mientras que en ambientes cálidos es importante favorecerla, sobre todo cuando las temperaturas ambientales llegan a la temperatura del cuerpo (unos 36,5º C) o las superan, porque en este caso la evapotranspiración es el único recurso del cuerpo para disipar el calor.El aire humedecido por la evapotranspiración, tiende a quedarse cerca de la piel, lo que la dificulta. Una corriente de aire puede sustituir este aire saturado por otro con menor contenido de humedad, que mejora el proceso de evaporación. De ahí que el aire movido por un ventilador o por una corriente de aire, cause sensación de frescura, aun cuando tiene la temperatura del resto; lo refresca el cuerpo es la evaporación del sudor en la superficie de la piel. Si el ambiente es frío (estación invernal) el aire fresquito se convierte en aire helador.Cuando la humedad es alta, el sudor del cuerpo no se evapora con facilidad y no puede bajar su temperatura correctamente; cuando es baja, en ambientes fríos, causa un exceso de pérdidas de calor del cuerpo por evaporación de agua, provocando sequedad de la piel y de las mucosas.2 Los ambientes cálidos, con baja humedad relativa son mucho más soportables que los que tienen alta humedad relativa.
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