Cuando el aire se eleva, se enfría, se condensa y eventualmente se pueden producir nubes. Pero no siempre ocurre eso, y cuando se producen las nubes pueden ser de tamaño muy diferentes. La formación de condensación y nubes está relacionada con la estabilidad del aire. Imaginar una burbuja o parcela de aire que puede moverse sin intercambiar aire con el medio que la rodea (como un globo). Si la burbuja es forzada a elevarse, se expande y su temperatura disminuye. Si la temperatura de la burbuja se mantiene menor que la del ambiente que la rodea, debe ser más densa (más “pesada”), por lo tanto tiende a regresar a su posición original, en este caso se dice que el aire es estable respecto a movimientos verticales. Por el contrario, si la burbuja o parcela de aire que se eleva fuera más cálida que el ambiente, será menos densa (más liviana) y tiende a continuar elevándose hasta una altura donde encuentre un ambiente que le rodea con su misma temperatura, (es igual que los globos de aire caliente que se elevan hasta que la densidad del gas caliente iguala a la del ambiente), en este caso el aire es inestable.
La estabilidad es una propiedad del aire que describe su tendencia a permanecer en su posición original, estable, o a elevarse, inestable. La estabilidad de la atmósfera está regulada por la temperatura en diferentes niveles, lo que determina el gradiente ambiental de temperatura, que no es lo mismo que los cambios de temperaturas adiabáticos anteriores, sino que es el gradiente real o actual de temperatura de la atmósfera. Ahora resumamos los distintos gradientes de temperatura que conocemos: el gradiente normal de temperatura, cuyo valor es -6.5º C/km en promedio global; el gradiente ambiental de temperatura, que es la variación real que se mide durante las mediciones con radiosondeo, puede tomar cualquier valor, incluso puede ser positivo en las capas de inversiones térmicas; el gradiente adiabático seco, cuyo valor es -9.8º C/km y el gradiente adiabático húmedo, de magnitud variable entre -5º a -9º C/km. Estos gradientes de temperatura se utilizan para determinar el grado de estabilidad de la atmósfera. Se distinguen tres tipos de estabilidad, conocidas como estabilidad absoluta, inestabilidad absoluta e inestabilidad condicional.
Estabilidad absoluta.
Se produce cuando el gradiente de temperatura ambiental real es menor que el gradiente adiabático húmedo y por lo tanto menor que el gradiente adiabático seco. En la figura 5.8 se ilustra la formación de nubes cuando el aire es estable, con un gradiente de temperatura real de 5º C/km y un gradiente de temperatura húmedo de 6º C/km. En esta figura, por el gradiente ambiental real, si la temperatura en superficie es 20º C, a un kilómetro de altura es 15º C. Al imaginar el proceso de elevar la parcela de aire desde superficie, se enfría según el gradiente adiabático seco hasta 10º C a un kilómetro de altura, por lo que es más densa. Si se fuerza a elevar más la parcela hasta el nivel de condensación donde se formarían las nubes, se enfría más y se hace más densa que el ambiente por lo que tiende a regresar a su posición original en superficie, entonces se dice que la atmósfera es estable.
La estabilidad evita la formación de nubes. Las condiciones más estables se producen cuando la temperatura aumenta con la altura, es decir con una inversión térmica. Las inversiones térmicas ocurren más frecuentemente en la noche con cielos claros por enfriamiento radiativo, formándose capas de aire muy estable que no permiten la mezcla vertical. Estas capas estables favorecen el aumento de contaminación, ya que el aire contaminado muy denso y pesado permanece cerca del suelo, sin poder mezclarse con el aire superior mas limpio, y si no hay viento no se puede transportar horizontalmente.
Inestabilidad absoluta.
Una parcela de aire tiene inestabilidad absoluta cuando el gradiente ambiental real de temperatura es mayor que el gradiente adiabático seco. En la figura 5.9 se ilustra el proceso con los valores de gradiente ambiental, húmedo y seco de 12, 6 y 10º C/km respectivamente, donde la parcela de aire ascendente es siempre más cálida que el ambiente, por lo que seguirá elevándose y la atmósfera es inestable. Al elevarse el aire se expande y se enfría hasta producirse la condensación, favoreciendo la formación de nubes.
Este tipo de inestabilidad ocurre más frecuentemente durante los meses cálidos con días despejados, cuando el calentamiento solar es intenso y las capas más bajas se sobrecalientan más que el aire de capas mas altas, produciendo un gradiente ambiental inestable, por ejemplo de 12º C/km que es mayor que el gradiente seco. La inestabilidad producida por fuerte calentamiento en superficie está confinada a los pocos kilómetros sobre el suelo. A mayor altura el gradiente ambiental de temperatura toma valores normales. Por lo tanto las nubes generadas por calentamiento en superfície son de poca altura vertical y rara vez producen mal tiempo. En época de primavera - verano, puede haber días en los cuales se puede producir un fuerte calentamiento en superficie, elevándose la masa de aire y si tiene suficiente humedad, el enfriamiento durante el ascenso produce niebla o neblina en superficie y nubosidad en capas bajas, sin que se produzca lluvia. Esta formación de nubes se conoce como una baja, vaguada o depresión térmica; el término de baja es porque el ascenso del aire simultáneamente produce una disminución de la presión en superficie. Su duración típica es de dos días y medio, ya que si no se unen con algún sistema frontal, al tercer día la radiación solar en el tope de las nubes, disipa la delgada capa de nubes.
Inestabilidad Condicional.
Se produce cuando el aire húmedo tiene un gradiente ambiental de temperatura entre los gradientes adiabático seco y húmedo (entre 5 y 10º C/km). En otras palabras se dice que la atmósfera es condicionalmente inestable cuando es estable respecto a una parcela de aire no saturada, pero inestable respecto a una parcela de aire saturada. En la figura 5.9 se observa una parcela más fría que los alrededores (estable) que se eleva hasta
Resumiendo, la estabilidad del aire está determinada por la distribución vertical de temperatura. Una columna de aire es inestable cuando el aire de la capa inferior es más cálido y menos denso que el aire de arriba, elevándose y desplazando al aire frío de capas mas altas. Las condiciones más inestables se producen con calentamiento intenso de la superficie. Inversamente, el aire es estable cuando la disminución de temperatura con la altura es menor que el gradiente adiabático húmedo. Las condiciones más estables se producen en épocas de bajas temperaturas, en dias fríos con inversiones térmicas.
La estabilidad de la atmósfera se favorece en las siguientes condiciones:
a) Por enfriamiento radiativo en la noche.
b) Por enfriamiento de una masa de aire desde abajo cuando pasa por una superficie fría.
c) Por subsidencia de la columna de aire.
La inestabilidad se favorece en las siguientes condiciones:
a) Calentamiento solar intenso en superficie.
b) Calentamiento de la masa de aire cuando pasa por una superficie caliente.
c) Por movimiento vertical del aire producido por ascenso forzado (orográfico, frontal y por convergencia).
d) Enfriamiento radiativo en el tope de las nubes.
