Se l’aria calda sale, perché in montagna fa più freddo?

Nella troposfera (il primo strato dell'atmosfera, spesso circa 11 km) la temperatura diminuisce di circa –6,5°C ogni 1000 m di innalzamento in quota: ma perché, se in alta quota siamo più vicini al Sole e l'aria calda tende a salire? In questo articolo esploreremo la risposta a queste domande cercheremo di comprendere il motivo principale per cui tendenzialmente la temperatura diminuisce all'aumentare dell'altitudine.

La diminuzione della temperatura con l’altitudine all’interno dell’atmosfera è il risultato di una complessa combinazione di fattori, di cui possiamo identificare due elementi principali: la variazione di pressione e densità dell'aria con la quota e l'effetto serra.

1. Pressione e densità dell'aria

La pressione atmosferica è il rapporto tra la forza peso esercitata dalla colonna d’aria sovrastante una certa porzione di superficie terrestre e l'area di tale porzione. La pressione atmosferica diminuisce all’aumentare dell’altitudine, principalmente perché più saliamo più la colonna d'aria sopra di noi si accorcia. Se saliamo sulla cima del Monte Everest, per esempio, la colonna d'aria sopra di noi si assottiglia di 8848 m rispetto al livello del mare; lassù la pressione atmosferica è approssimativamente un terzo di quella al livello del mare (che è di circa 1013 millibar).

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Anche la densità dell’aria diminuisce all’aumentare dell’altitudine nella troposfera. A livello mare, l’aria è tendenzialmente più densa grazie alla pressione atmosferica che comprime le molecole gassose. Ma, salendo di quota, la minore pressione atmosferica consente ai gas di espandersi e occupare un maggiore volume. Questo fenomeno è anche la causa delle difficoltà respiratorie che si verificano a quote superiori a 3000 metri. Nonostante la percentuale di ossigeno nell'atmosfera rimanga costante al 21%, a causa della minore densità, la stessa quantità di aria respirata fornisce meno ossigeno.

Con il diminuire della pressione e della densità dell'aria, la temperatura diminuisce. Questo avviene perché l'espansione dei gas è un lavoro e richiede energia, che viene prelevata dalla sua energia interna, causando una diminuzione della temperatura. Di conseguenza, anche l'aria calda che si sposta dal suolo verso quote più elevate, dove le pressioni atmosferiche sono più basse, si espande, perde energia e si raffredda. Questo processo è noto come raffreddamento adiabatico, ovvero che avviene senza scambi di calore con l’esterno, ed è la causa principale del gradiente termico negativo all'interno della troposfera.

2. Effetto serra

Innanzitutto, sottolineiamo che salire di quota non ci avvicina significativamente al Sole. Anche al confine con la stratosfera, 11 km di distanza dal suolo sono del tutto trascurabili rispetto ai 150 milioni di km che ci separano dal Sole (lo 0,000007%, per la precisione). Salire di quota ha dunque un effetto completamente trascurabile sulla quantità di energia in arrivo dalla nostra stella.

Contrariamente a quanto si potrebbe pensare, la maggior parte del calore fornito alla troposfera proviene dal basso. Infatti, parte della radiazione solare assorbita dalla superficie terrestre viene rilasciata nell’atmosfera sotto forma di radiazione infrarossa, vale a dire calore. Una porzione di questa viene quindi assorbita dai gas serra presenti nella troposfera, mentre una certa percentuale viene riflessa indietro verso il suolo. Questo dinamica spiega perché le temperature sono tendenzialmente più elevate a quote più basse e, insieme alla diminuzione della pressione atmosferica e ai processi di risalita adiabatica, contribuisce alla diminuzione delle temperature con l'altitudine.