Quando un pacco aereo sale, inizierà ad espandersi in quanto incontra meno pressione atmosferica. Questo fenomeno è osservabile nella vita di tutti i giorni. Ad esempio, se si prende un sacchetto di patatine fritte (che è fondamentalmente un pacco d’aria con un po ‘ di cibo spazzatura all’interno) ad una maggiore elevazione, l’aria all’interno del sacchetto si espanderà come la pressione dell’aria circostante scende. La clip qui sotto mostra una borsa SunChips in espansione mentre è guidata fino a Pikes Peak in Colorado (dove la pressione dell’aria è ~50% inferiore a quella che si trova sul livello del mare).
Questo stesso tipo di espansione è osservabile, ancora più drammaticamente, in un pallone robusto. La clip time-lapse sotto mostra un pallone meteorologico in aumento, che approssima il comportamento di un pacco d’aria, espandendosi quando la pressione atmosferica diminuisce durante una salita di ~90.000 piedi. Il palloncino si espande a più di 100 volte il suo volume originale, fino a quando finalmente dice “non più” ed esplode!
la Rapida espansione di un pacchetto di aria (come si rileva inferiore alla pressione atmosferica) farà fresco significativamente — in genere un paio di gradi o superiore a 1.000 metri. Il pallone meteorologico sopra, ad esempio, si è raffreddato al di sotto della temperatura di congelamento mentre si espandeva.
Questo raffreddamento si verifica perché, a livello molecolare, un pacco d’aria consuma parte della sua energia interna mentre si espande. In un certo senso, l’energia è necessaria per il pacco aereo per “spingere” nell’ambiente. Una riduzione dell’energia interna corrisponde ad una riduzione dell’energia termica. Pertanto, quando l’energia interna di un gas diminuisce, così fa la sua temperatura. (Se sei interessato al comportamento termodinamico dettagliato dei gas e alla natura della cosiddetta “espansione adiabatica”, puoi saperne di più qui.)
Un buon esempio domestico di raffreddamento legato all’espansione sta lasciando uscire l’aria da un pneumatico per bici. Un ragazzo di nome Ryan lo dimostra qui sotto su YouTube. Ryan lascia aria rush fuori della sua moto pneumatico; l’aria si espande naturalmente mentre si muove dall’essere sotto alta pressione (all’interno del pneumatico) alla pressione più bassa (all’esterno del pneumatico). Come previsto, l’aria si raffredda molto nel processo, come mostrato dal misuratore di temperatura Celsius.
il rovescio della medaglia, quando un pacchetto di aria incontra una maggiore pressione atmosferica, non comprime e caldo. Ryan dall’alto ha pubblicato un altro video che mostra come la temperatura dell’aria aumenta quando viene compressa per gonfiare un pneumatico da bicicletta.
Allo stesso modo, un pacco d’aria in natura viene compresso e si riscalda quando si sposta da un’altitudine maggiore a un’altitudine inferiore. L’aumento della pressione atmosferica schiaccia il pacco, trasferendo così energia interna ad esso e aumentando la sua temperatura. Questo è uno dei motivi principali per cui Death Valley – il punto più basso del Nord America-è così caldo: qualsiasi pacco d’aria che scende a quella bassa di un’elevazione subisce un’intensa compressione e riscaldamento nel processo.
Un secondo esempio istruttivo: perché fa più freddo in montagna?
Le montagne sono più fredde delle quote più basse per la stessa ragione fondamentale che fa freddo fuori da un aereo: l’aria è sempre in movimento e qualsiasi aria che si muove verso l’alto nell’atmosfera si espanderà e si raffredderà.
Una delle principali differenze tra aerei e montagne è che quando sei su una montagna, sei in piedi sulla terra, piuttosto che volare nel cielo. La terra può essere molto efficace nell’assorbire l’energia del sole e trasferire calore all’aria vicina. Questo tipo di riscaldamento non avviene nell’atmosfera libera dove un aereo vola, poiché l’aria stessa non assorbe facilmente la luce solare.
In questo modo, la luce solare assorbita dalla superficie di una montagna o di un altopiano agirà per aumentare le temperature locali. Maggiore è la superficie di una montagna, maggiore è l’effetto di riscaldamento. Tuttavia, ci sono ragioni per cui le montagne sono ancora generalmente più fredde della terra a quote più basse.
In primo luogo, l’aria è sempre in movimento: una determinata catena montuosa — anche se riscaldata in modo significativo dal sole-incontrerà aria fredda che soffia da altre posizioni altissime. Gran parte di quest’aria sarà piuttosto fredda perché non è stata riscaldata da una superficie cotta al sole. In effetti, la terra ha una quantità relativamente piccola di superficie ad alta quota, e quindi ha una capacità limitata di riscaldare l’aria ad alta quota su larga scala.
In secondo luogo, un po ‘ di aria che arriva in montagna sarà salita da quote più basse, espansa e raffreddata a causa del calo della pressione atmosferica.