Por que a temperatura geralmente diminuí quando altitude aumenta?

14 de junho, 2021 às 10:08 | Postado em Atmosfera, Forma da Terra, Gás e vapor, Radiação, Termologia, termodinâmica

Prezados,

Conversando com amigos, essa simples pergunta surgiu. Por que locais com maior altitude tendem a ser mais frios?

Pesquisando pela resposta na internet (em português, inglês e japonês), está sempre se limitava a dizer que “o ar é mais rarefeito a maiores altitudes”. Ora, é perfeitamente possível que o ar rarefeito tenha temperatura mais alta.

Entao nosso raciocínio seguiu na seguinte linha: “a maiores altitudes, a pressão diminui (porque o ar é menos denso, ou não?). Com menor pressão, o ar se expande. No processo de se expandir, energia térmica é despendida para realizar trabalho e o ar esfria”.

Mas não está claro se este raciocínio está correto. As relações de causa e efeito estão confusas.

Será que vocês me ajudam a esclarecer essa questão?

O gráfico da Figura 1, retirado da seção 2 do artigo A Física no salto recorde de Felix Baumgartner, representa valores padrão da temperatura (T) da atmosfera terrestre em função da altitude (h).

De fato a temperatura na camada mais baixa da atmosfera (troposfera), até 11km de altitude, tem a sua temperatura decrescendo em média 6,5°C quando a altitude aumenta em 1km. Depois dos 11km o comportamento da temperatura com a altitude é diferente conforme o gráfico representa.

A razão principal para esta diminuição da temperatura na troposfera se deve a que a energia solar que chega ao solo é em grande parte absorvida, aquecendo-o e por consequência o ar próximo também, produzindo correntes de convecção, além de haver reemissão parcial de energia radiante na faixa de infravermelho de onda longa,  aquecendo de baixo para cima a atmosfera. Vide Como a Terra perde energia térmica?

Quando uma massa de ar sobe de fato existe uma expansão adiabática da mesma já que a pressão atmosférica diminui, podendo chegar o resfriamento a atingir 10°C para cada quilômetro de subida de ar seco conforme demonstrado em Temperatura-troposfera. Neste processo de expansão do ar que sobe, por realizar trabalho sobre a atmosfera circundante, sua temperatura baixa enquanto o ar que absorve o trabalho aumenta de temperatura. Se uma massa de ar desce, então a atmosfera realiza trabalho sobre esta massa, e ela tem sua temperatura aumentada adiabaticamente enquanto o ar circundante se esfria.

Este aquecimento/resfriamento adiabático enquanto ar quente/frio sobe/desce na atmosfera é muito importante para entender a dinâmica dos processos atmosféricos (por exemplo Queda da pressão atmosférica antes da chuva?) mas por si só não explica o gradiente de cerca de 6,5°C por quilômetro que, como já notado, deve-se à radiação solar absorvida no solo.

“Docendo discimus.” (Sêneca)