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O fenômeno da inversão térmica,[1] capaz de confinar grandes quantidades de poluentes numa estreita camada da atmosfera, é um fenômeno em que a convecção natural é dificultada pela inversão do gradiente de temperatura em função da altitude necessária para a livre dispersão dos solutos do ar que formam a poluição, confinando-os a uma estreita camada fluida, rica em poluentes. Na inversão térmica, o gradiente da temperatura do ar segue um perfil aproximadamente adiabático (não ganham nem perdem calor), tipicamente de -1°C/100m, até determinada altitude onde há um aumento da temperatura em função da altitude.
Essa inversão no gradiente de temperatura inviabiliza a formação da convecção natural entre essas camadas de ar. A partir de uma altitude um pouco maior, a gradiente de temperatura do ar volta a seguir a aproximação adiabática da atmosfera que se estende até altitudes de 10 km. As inversões térmicas podem ocorrer em várias altitudes da atmosfera,[2] contudo as mais preocupantes são as inversões em baixa altitude (100 a 300 metros) por sua capacidade de dificultar a dispersão dos poluentes gerados nos centros urbanos.
O ar frio é mais denso do que o ar quente, assim, o ar quente tende a ocupar maiores altitudes na atmosfera enquanto o ar frio fica nas regiões mais baixas. Em outras palavras, o ar frio fica na zona da atmosfera que nós ocupamos. Com o decorrer do dia, o ar quente que está em maiores altitudes devido a sua menor densidade esfria e desce, pois quanto mais alto na atmosfera menor será a temperatura. O ar frio, por sua vez, esquenta e acaba subindo, pois sua densidade torna-se menor. Esse fenômeno chama-se corrente de convecção. Como o ar quente esfriou e desceu, pois teve a sua densidade aumentada, as impurezas produzidas pelas indústrias fica retida com esse ar frio. O nome desse fenômeno é inversão térmica, nele os poluentes ficam retidos na massa de ar fria próxima a superfície. Esse fenômeno ocorre geralmente em finais de tarde e períodos de inverno que os raios solares são mais fracos e demoram um pouco mais para aquecer o ar, o que causa um estacionamento do ar frio na superfície.