Cuando una parcela de aire se eleva, comenzará a expandirse a medida que encuentre menos presión atmosférica. Este fenómeno es observable en la vida cotidiana. Por ejemplo, si llevas una bolsa de papas fritas (que es básicamente un paquete de aire con algo de comida chatarra dentro) a una elevación más alta, el aire dentro de la bolsa se expandirá a medida que la presión de aire circundante disminuya. El clip a continuación muestra una bolsa de SunChips expandiéndose a medida que se conduce hasta Pikes Peak en Colorado (donde la presión del aire es ~50% más baja de lo que encontraría el nivel del mar).
Este mismo tipo de expansión es observable, aún más dramáticamente, en un globo robusto. El clip de lapso de tiempo a continuación muestra un globo meteorológico ascendente, que se aproxima al comportamiento de una parcela de aire, expandiéndose a medida que la presión atmosférica disminuye durante un ascenso de ~90,000 pies. El globo se expande a más de 100 veces su volumen original, hasta que finalmente dice «no más» y explota!
La expansión rápida de una parcela de aire (a medida que se encuentra con una presión atmosférica más baja) hará que se enfríe significativamente, generalmente unos pocos grados o más por cada 1,000 pies. El globo meteorológico de arriba, por ejemplo, se enfrió a una temperatura muy inferior a la de congelación a medida que se expandía.
Este enfriamiento se produce porque, a nivel molecular, una parcela de aire consume parte de su energía interna a medida que se expande. En cierto sentido, se requiere energía para que el paquete de aire «salga» al medio ambiente. Una reducción de la energía interna corresponde a una reducción de la energía térmica. Por lo tanto, cuando la energía interna de un gas disminuye, también lo hace su temperatura. (Si está interesado en el comportamiento termodinámico detallado de los gases y la naturaleza de la llamada «expansión adiabática», puede obtener más información aquí.)
Un buen ejemplo doméstico de refrigeración relacionada con la expansión es dejar salir el aire de un neumático de bicicleta. Un tipo llamado Ryan lo demuestra a continuación en YouTube. Ryan deja salir el aire de la llanta de su bicicleta; el aire se expande de forma natural a medida que pasa de estar bajo alta presión (dentro del neumático) a una presión más baja (fuera del neumático). Como era de esperar, el aire se enfría mucho en el proceso, como se muestra en el medidor de temperatura Celsius.
Por otro lado, cuando un paquete de aire encuentra una mayor presión atmosférica, se comprime y se calienta. Ryan desde arriba publicó otro video que muestra cómo la temperatura del aire aumenta cuando se comprime para inflar un neumático de bicicleta.
De manera similar, una parcela de aire en la naturaleza se comprime y se calienta cuando se mueve de una elevación más alta a una elevación más baja. El aumento de la presión atmosférica aplasta la parcela, transfiriendo así energía interna a ella y aumentando su temperatura. Esa es una de las principales razones por las que el Valle de la Muerte, el punto más bajo de América del Norte, es tan caluroso: cualquier parcela de aire que desciende a esa altura baja se somete a una compresión y calentamiento intensos en el proceso.
Un segundo ejemplo instructivo: ¿por qué hace más frío en las montañas?
Las montañas son más frías que las elevaciones más bajas por la misma razón básica de que hace frío fuera de un avión: el aire siempre está en movimiento, y cualquier aire que se mueva hacia arriba en la atmósfera se expandirá y enfriará.
Una diferencia importante entre los aviones y las montañas es que cuando estás en una montaña, estás de pie en tierra, en lugar de volar en el cielo. La tierra puede ser muy eficaz para absorber la energía del sol y transferir calor al aire cercano. Este tipo de calentamiento no ocurre en la atmósfera libre donde vuela un avión, ya que el aire en sí no absorbe fácilmente la luz solar.
De esta manera, la luz solar absorbida por la superficie de una montaña o una meseta alta actuará para aumentar las temperaturas locales. Cuanto mayor sea la superficie de una montaña, mayor será el efecto de calentamiento. Sin embargo, hay razones por las que las montañas siguen siendo generalmente más frías que la tierra en elevaciones más bajas.
Primero, el aire siempre está en movimiento: una cadena montañosa determinada, incluso si se calienta significativamente por el sol, encontrará aire frío que sopla desde otros lugares celestes. Gran parte de este aire será bastante frío porque no ha sido calentado por una superficie asoleada por el sol. De hecho, la tierra tiene una cantidad relativamente pequeña de superficie de alta elevación, y por lo tanto tiene una capacidad limitada para calentar aire de alta elevación a gran escala.
En segundo lugar, parte del aire que llega a las montañas se habrá elevado desde elevaciones más bajas, expandido y enfriado debido a la disminución de la presión atmosférica.