¿Por qué hace más frío cuando subimos una montaña?

Pregunta del curso de 3º de ESO de Aranzadi Icastola. Bergara (Gipuzkoa)

Imagínese escalar una montaña en el Himalaya. Si miras hacia abajo, a lo lejos, ves frondosos bosques; mientras que si miras hacia arriba, ves cada vez más nieve y más glaciares. Cuanto más alto subes, más notas que baja la temperatura. ¿Te ha pasado eso alguna vez? Habrás notado que también ocurre en verano y en días soleados…

A primera vista puede parecer extraño: a medida que subimos, nos acercamos un poco más al Sol, entonces, ¿no debería hacer más calor? Sin embargo, la realidad es todo lo contrario. Para entender por qué, necesitamos comprender mejor cómo se calienta la atmósfera, cómo es la presión del aire y cómo se comportan los gases.

¿Cómo se calienta realmente el aire?

Empecemos por disipar una noción muy común. Aunque cuando subimos a una montaña nos alejamos del centro de la Tierra, la diferencia de distancia con el Sol es mínima. La Tierra está a unos 150 millones de kilómetros del Sol, y una montaña de varios kilómetros de altura no cambia nada en esa escala. Entonces, la caída de temperatura no se debe a que esté “más lejos” o “más cerca” del Sol.

Otra clave fundamental es entender que el aire no es calentado directamente por el Sol. La radiación solar atraviesa la atmósfera casi sin calentarla y llega a la tierra. El suelo absorbe esta energía y luego la emite en forma de calor (radiación infrarroja), provocando un aumento de la temperatura del aire en contacto con él. Por lo tanto, el aire más cálido suele encontrarse cerca de la superficie de la Tierra, no en la atmósfera superior.

Presión y densidad atmosférica.

La atmósfera es una mezcla de gases que tienen masa y por tanto peso. Al nivel del mar, el aire soporta el peso de toda la columna de aire que se encuentra encima, creando una alta presión atmosférica. A medida que aumentamos de altitud, hay menos aire sobre nosotros, por lo que la presión disminuye. Esto hace que el aire sea menos denso, es decir, que sus moléculas estén más separadas.

Y resulta que la densidad del aire es clave para la temperatura. Cuando las moléculas de gas están más juntas, chocan más entre sí y pueden transferir mejor la energía térmica. En cambio, cuando están más separados almacenan menos energía térmica.

enfriamiento adiabático

Hemos visto, por tanto, que cuando la masa de aire aumenta, la presión exterior disminuye. Como resultado, el aire se expande. Cuando se expande, el gas sí realiza trabajo (empuja el aire a su alrededor) y para ello utiliza parte de su energía interna. El resultado es un descenso de la temperatura, aunque el calor no se pierde al exterior. Este proceso se llama enfriamiento adiabático y es uno de los mecanismos más importantes en meteorología.

Grosso modo, cuando el aire asciende sin intercambiar calor con el ambiente y sin condensación, su temperatura desciende unos 9,8 °C cada 1.000 metros (esto es lo que se llama gradiente adiabático seco).

Sin embargo, en la atmósfera real es normal que parte del vapor de agua existente se condense durante el proceso de ascenso. En este caso, la caída media es de unos 6,5 °C cada 1.000 metros, lo que se conoce como gradiente térmico vertical.

Menos efecto “manta” en altura

El aire actúa como aislante térmico. Cuanto más denso sea, mejor retendrá el calor. En las zonas bajas, la atmósfera actúa como una especie de manto que impide que el calor de la Tierra escape rápidamente al espacio.

En la montaña, al haber menos aire, este efecto es mucho menor. El calor se pierde más fácilmente, especialmente por la noche. Esto explica por qué las temperaturas nocturnas en las altas montañas pueden ser extremadamente frías.

El papel de la tierra, la nieve y el viento

El tipo de superficie también influye. En la montaña es habitual encontrar roca desnuda, suelo pobre o nieve. La nieve tiene un albedo elevado, una medida de la capacidad de la superficie para reflejar la radiación solar. Es decir, refleja gran parte de la radiación solar que recibe. Por tanto, al reflejar más energía y absorber menos, el suelo se calienta un poco y cede menos calor al aire.

En cambio, en altura suele haber más viento debido a las diferencias de presión y a la ausencia de obstáculos. El viento no reduce la temperatura real del aire, pero aumenta la pérdida de calor del cuerpo humano al eliminar la capa de aire caliente que rodea la piel. Esto provoca una mayor sensación térmica de frío, aunque los grados sean los mismos.

¿Hay alguna excepción?

Sí. En algunas situaciones, se produce una inversión de temperatura, en la que el aire frío queda atrapado en los valles y el aire más cálido se encuentra arriba. En estos casos puede hacer más frío abajo que en la cima de la montaña. Sin embargo, estas situaciones son temporales y no cambian la regla general.

Suele hacer más frío subiendo una montaña y, como hemos visto, esto sucede porque la atmósfera se comporta diferente con la altura: la presión disminuye, el aire se expande y se enfría, hay menos capacidad para retener el calor y el suelo desprende menos energía calorífica. Un excelente ejemplo de cómo las leyes de la física y la química afectan directamente a nuestra vida diaria.

El Departamento de Cultura Científica de la Universidad del País Vasco colabora en la sección The Conversation Junior.