Perché l’aria calda sale?
La temperatura di un gas è una misura dell’energia cinetica degli atomi o molecole che lo compongono. Maggiore energia significa movimenti più veloci. Se il gas è in un contenitore rigido, come un serbatoio di stoccaggio, ciò si traduce in una maggiore pressione. Tuttavia, se il contenitore è flessibile come un palloncino, la pressione extra farà espandere il palloncino.
Con la stessa quantità di materiale in uno spazio più grande, il palloncino sarà più leggero, facendolo galleggiare sull’aria circostante più fredda.
Senza un palloncino, l’aria calda farà lo stesso, espandendosi per riempire più spazio e galleggiando sull’aria più fredda sottostante.
Perché allora fa più freddo salendo di quota?
Potresti aspettarti che all’aperto avvenga la stessa cosa. Dopotutto, la luce solare riscalda il terreno, che a sua volta riscalda l’aria vicina, facendola salire. Questo effetto è visibile nelle giornate senza vento, quando gli uccelli possono volare per ore sfruttando le correnti calde ascensionali.
Il motivo è che all’aperto non c’è nulla che costringa l’aria. Non solo l’aria calda si espande come farebbe in un palloncino infinitamente flessibile, ma la pressione dell’aria complessiva diminuisce man mano che ci si allontana dalla superficie terrestre. La gravità trattiene la maggior parte dell’atmosfera vicino al suolo, quindi più ci si avvicina allo spazio, più rarefatte sono le molecole e minore è la pressione.
Man mano che l’aria calda sale, incontra sempre meno pressione e si espande di conseguenza. Questa espansione la raffredda. Ci sono diversi modi per capire perché ciò avviene.
Uno è che quando un gas si espande compie un lavoro. Ci vuole energia per compiere un lavoro, e farlo significa perdere parte di quell’energia. Poiché la temperatura è una misura dell’energia cinetica, perdere energia rende un gas più freddo. Un’altra prospettiva è che man mano che le particelle si allontanano l’una dall’altra, quelle che sono attratte tra loro guadagnano energia potenziale, come un oggetto sollevato da terra. Poiché l’energia non viene né creata né distrutta, questa energia potenziale deve venire da qualche parte, e in questo caso si traduce in una diminuzione dell’energia cinetica delle particelle, cioè della temperatura.
Ma poi il raffreddamento si ferma
La temperatura non scende all’infinito man mano che si sale nell’atmosfera. Se lo facesse raggiungeremmo lo zero assoluto molto prima di arrivare nello spazio. Invece, una volta raggiunto il confine tra la troposfera e la tropopausa, solitamente intorno ai 12 km di altitudine, le temperature si stabilizzano e poi iniziano a salire di nuovo. Più in alto, le temperature si invertono di nuovo, due volte. Le ragioni di questi cambiamenti di direzione riguardano fattori come la miscela di gas e le lunghezze d’onda della radiazione che assorbono.
A volte si verifica ciò che è noto come “inversione termica”, dove la temperatura aumenta per un po’ man mano che si sale. L’aria ad alta quota può scendere e agire come un coperchio, intrappolando l’aria calda sottostante e facendo aumentare le temperature man mano che si sale. Tali inversioni possono essere pericolose. Possono intrappolare l’inquinamento per giorni sotto di loro. Questa condizione è abbastanza comune in inverno nella nostra Pianura Padana e nei fondovalle alpini e appenninici.
La storia di Icaro mostra che gli antichi Greci pensavano che avvicinandosi al sole la temperatura sarebbe aumentata. Questo non accade perché la distanza dal Sole è così immensa che avvicinarsi di qualche centinaio di metri, o anche di qualche chilometro, non fa una differenza apprezzabile.