La razón principal por la que la temperatura del aire disminuye en elevaciones más altas es que la presión del aire disminuye con la altitud. A medida que una parcela de aire se mueve o baja, su temperatura cambia incluso sin que tome lugar ningún cambio de calor. Estos cambios se llaman "procesos adiabáticos", y ayudan a explicar por qué la temperatura varía tanto con la latitud.

Procesos adiabáticos

Un proceso adiabático se define como un cambio de temperatura en un líquido debido a un cambio en la presión sin ningún aumento o disminución de calor del ambiente circundante. En realidad, ningún sistema es verdaderamente adiabático, pero siempre hay algún tipo de cambio de calor con el alrededor. Como aproximación, sin embargo, el movimiento de parcelas de aire en la atmósfera se puede tratar como un proceso adiabático para la mayoría de los cálculos.

La primera ley de termodinamia

La primera ley de termodinamia, que también se llama "Ley de conservación de energía", afirma que la energía no puede ser creada ni destruida. Cuando una parcela de aire se mueve hacia arriba o abajo, su energía total queda igual. Al moverse hacia afuera desde el centro de la esfera, cada capa es más grande que la anterior, por lo que el área que ocupa el aire cambia. Al moverse hacia arriba, el área aumenta, o disminuye cuando se mueve hacia abajo. Por lo tanto, la presión cae a medida que la altitud aumenta, debido a que el aire está más disperso. Expandirse para rellenar una zona más grande requiere trabajo, o energía. Al utilizar energía para expandirse, el aire debe dejar energía en algún otro lugar, por lo que la temperatura, el promedio de energía cinética de sus partículas, disminuye.

Temperatura y calor

Puede ser confuso decir que el aire no gana ni pierde calor, pero sí cambia la temperatura. Esto no es contradictorio porque, en la física, el calor y la temperatura tienen definiciones muy diferentes. La temperatura es una medida de la energía quinética promedio o la energía de las partículas en movimiento, de un objeto. El calor es el total de toda la energía cinética dentro de ese objeto. Por ejemplo, una hoguera tiene una temperatura mucho mayor que un glaciar enorme, pero éste en realidad contiene más calor porque es mucho más grande.

El gradiente adiabático

La magnitud del cambio de temperatura que ocurre mientras una parcela de aire se mueve hacia arriba o abajo está gobernada por un gradiente adiabático. Para un aire seco o no saturado, que quiere decir un aire que actualmente contiene menos vapor de agua que el que podría contener a esa temperatura, el gradiente adiabático es de aproximadamente 5,5 grados Fahrenheit por 1000 pies o 10º C por 1.000 metros. El gradiente adiabático funciona en ambas direcciones. Considera, por ejemplo, una parcela de aire no saturado con una temperatura de 50 grados Fahrenheit (10º C). Si el aire fuera a moverse, como resultado de una corriente de viento, 2.000 pies hacia arriba (2.000 metros) su temperatura caería a 39 grados (4º C). Si se moviera 2.000 pies hacia abajo, su temperatura aumentaría a 61 grados (16º C).

Gradiente ambiental

Mientras que el gradiente adiabático mide el cambio de temperatura en una parcela de aire en movimiento, el gradiente ambiental mide la diferencia en la temperatura de una atmósfera estacionaria desde el nivel del suelo hasta 11 km o 6,8 millas en altitud, en cuyo punto otros procesos comienzan a tener una mayor influencia en el perfil de la temperatura. Este gradiente es aproximadamente igual a 6,5 grados Celsius por 1.000 metros o 3,5 grados Fahrenheit por 1.000 pies, aunque los cambios de gradiente actual se basan en las condiciones del clima local.