L'aire pesa!
2005/06/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
Els que es dediquen a la pedagogia de la ciència diuen moltes vegades que la gent del carrer no entén com és l'atmosfera. Algunes idees acceptades no són correctes. D'una banda, que l'aire no té pes, està molt estès. D'altra banda, no hi ha gravetat fora de l'atmosfera, la qual cosa s'aprecia en les imatges dels astronautes.
Però no és cert. L'aire té pes. I la gravetat no acaba amb l'atmosfera. De fet, aquestes dues coses van juntes, perquè l'aire està emmagatzemat en la 'part inferior' de la zona de gravetat, al costat de la superfície terrestre, pel seu pes. A aquest aire de pes diem atmosfera i ens afecta molt. Tal vegada ens hem acostumat, però podem detectar i mesurar aquesta influència.
Per exemple, la pressió atmosfèrica. L'atmosfera exerceix una pressió aproximada d'un quilo de pes per centímetre quadrat. En latituds de poblacions temperades, el valor mitjà sol ser de 1.033,6 grams de pressió. Quan obres la mà, poses en contacte amb l'atmosfera una superfície superior a cent centímetres quadrats. Imagina que amb aquesta mà mantens la pressió de més de cent quilos.
Però cura, no és pes sinó pressió. Vivim submergits en un gas en el qual les molècules d'aquest gas circumdant xoquen constantment contra nosaltres, com les molècules d'aigua contra el cos dels peixos. Aquesta és la pressió, els xocs de les molècules.
A major nombre de col·lisions, major pressió. I, per descomptat, el nombre de col·lisions depèn del nombre de molècules; quants més molècules hi hagi, més xocs es produeixen. Per això, per a saber si hi ha molts o pocs gasos en un determinat volum, no s'indica la concentració del gas, sinó la pressió del gas. En el cas de l'atmosfera ocorre el mateix; una alta pressió atmosfèrica significa que hi ha moltes molècules d'aire, però no per damunt, sinó per l'entorn.
Per això, el cos suporta aquesta pressió en tots els sentits. Tenint en compte la superfície del cos, un quilo de pressió per centímetre quadrat és molt per a l'ésser humà. O hauria de ser. Com és que aquesta pressió no aixafa totalment el cos humà? Com no ho fa? Doncs perquè el cos també exerceix pressió de dins cap a fora. Equilibra la pressió ja que el cos és una estructura plena d'aigua que també exerceix pressió. Són els cossos de tots els vius. Generen la mateixa pressió que suporten en sentit contrari. Precisament per això, un astronauta que sali a l'espai ha de produir artificialment la influència de l'atmosfera, no sols per a poder respirar, sinó perquè ha de compensar d'alguna manera la pressió que exerceix el cos cap a fora. En la superfície terrestre és el gas atmosfèric el que fa aquest treball.
No obstant això, la pressió atmosfèrica no és la mateixa a totes les altures, com més gran és l'altura, menor és la pressió. En definitiva, això significa que a mesura que anem ascendint per la superfície hi ha menys gasos. Val la pena fer un viatge a l'alça per a veure com està distribuït el gas.
Apilats en la part inferior
Es pot dir que la major part de l'aire es troba en la part inferior; el 80% de la massa atmosfèrica es troba en els deu quilòmetres inferiors. Molt prop del nivell de la mar. D'alguna manera, l'aire està acumulat sobre la superfície terrestre. Els muntanyencs ho saben perfectament; a tres mil metres, per exemple, l'atmosfera és molt lleugera, només hi ha tres quartes parts de la pressió a nivell de la mar. Això s'aprecia en la densitat de l'aire, un litre d'aire en la mar pesa 1,226 grams i a tres mil metres, una mitjana de 0,910 grams. A deu mil metres, és a dir, a l'altura que ocupen els avions comercials, el litre d'aire pesa només 0,413 grams. En el seu aire hi ha molt menys gas, molt menys matèria. Sembla que un avió no pot volar a dalt, perquè aquest gas ha d'aguantar per a volar.
D'altra banda, és conegut que en aquesta ascensió també canvia la temperatura. Normalment, en pujar prop de 180 metres, la temperatura baixa un grau, a causa de l'intercanvi de calor amb la Terra. La Terra escalfa la part baixa de l'atmosfera. Per això la temperatura baixa a mesura que augmenta. Però això no ocorre en tota l'atmosfera. A partir d'un límit, la temperatura de l'atmosfera no disminueix més, queda a uns 50 graus sota zero.
La part de l'atmosfera fins a aquest límit es diu troposfera i la pròpia frontera es diu tropopausa. Són noms molt apropiats, ja que el prefix 'tropo' significa canvi. La zona és molt variable, l'aire es mou molt en totes les direccions, s'escalfa i es refreda, produint molts remolins. Mai s'aconsegueix l'equilibri, on es produeixen tots els fenòmens meteorològics.
Però en la tropopausa la situació canvia radicalment. L'acció de l'escorça terrestre és molt feble, ja que d'una banda està molt lluny i per un altre, l'aire és molt lleuger. Hi ha poques molècules, per la qual cosa la pressió és baixa. I l'intercanvi de calor es produeix a través de xocs intermoleculars. Atès que en la tropopausa hi ha menys molècules d'aire que en la superfície terrestre, la transmissió de calor és més lenta.
Un altre cel
La tropopausa es troba a 10 quilòmetres d'altura, però no sempre ni a tot arreu. Està més a baix en els pols i més amunt en l'equador. A l'hivern baixa i puja a l'estiu. En definitiva, quan la temperatura puja, també la tropopausa. De fet, alguns científics creuen que l'escalfament global del planeta ha provocat centenars de metres de pujada a la tropopausa, però hi ha poques dades i molts dubtes.
No obstant això, en la tropopausa la situació canvia molt. L'aire també es mou cap amunt, bufa aire ràpid, però no cap amunt o cap avall, sinó en horitzontal. Estrats. No és d'estranyar que els científics hagin donat a aquesta part el nom d'estratosfera.
La veritat és que hi ha una raó perquè així sigui. The temperature of the air increases in the estratosfer as increased. Per tant, l'aire calent s'acumula en la part superior i el fred en la part inferior, és a dir, l'aire més lleuger es troba en la part superior i el més pesat en la inferior, i no es generen corrents d'aire ascendents o descendents per densitat. El contrari del que ocorre en la troposfera.
Des del punt de vista dels corrents, aquesta situació és perfecta per a volar. En els vols comercials, els avions pugen fins a l'estratosfera perquè és una zona sense turbulències.
I des d'altres punts de vista, l'estratosfera és molt especial. Per exemple, des del punt de vista de la composició química. La composició de l'estratosfera és molt similar a la de la troposfera. No obstant això, l'intercanvi de matèria entre les dues capes és molt lent, ja que en l'estratosfera el gas a penes flueix cap amunt o cap avall. És cert que en les erupcions d'alguns volcans els gasos arriben fins allí, però no alteren molt la seva composició.
Existeixen dues diferències significatives entre els gasos de la troposfera i de l'estratosfera. La primera falta d'aigua. L'aigua no arriba a l'estratosfera, es condensa i cau a la Terra. Hi ha una mica, però el que s'ha creat allí. I aquest poc d'aigua necessita una temperatura molt baixa per a crear els núvols. En conseqüència, en l'estratosfera hi ha pocs núvols que es formen sobre els pols.
La segona diferència és la presència de la molècula més famosa de l'estratosfera: l'ozó. Qui mai ha sentit parlar de la capa d'ozó en l'estratosfera? La radiació solar és generada a partir de l'oxigen i es troba atrapada en els estrats de corrents d'aire. No té fuites mentre no s'associa amb contaminants. Encara sort, aquest ozó absorbeix els raigs ultraviolats.
La major part de l'ozó es troba en l'estratosfera, però també es detecta a partir d'aquí. La veritat és que en el límit superior de l'estratosfera, en l'estratopausa, no queda molt gas; hi ha molt poques molècules, molt baixa pressió. Es troba a uns 50 quilòmetres de la superfície terrestre.
I més enllà, en la mesosfera, molt menys. No obstant això, el seu comportament és important. Com són molt pocs es produeixen molt pocs impactes entre ells. Això significa que la transmissió de calor és molt lenta.
Es creu que això té a veure amb el canvi de temperatura. A mesura que s'ascendeix aquesta capa, la temperatura disminueix, al contrari del que ocorre en l'estratosfera. També aconsegueix els cent graus sota zero. I en aquestes condicions es condensen els núvols. Hi ha núvols en la mesosfera! Es diuen núvols nocuas. Poden veure's a vegades a les fosques. Però els científics saben poc d'aquests núvols.
En qualsevol cas, no hi ha molta matèria a dalt. I per això, la mesosfera no està protegida de la influència de l'espai. Els raigs ultraviolats són fàcilment ionizables per aquestes poques molècules, i es produeixen molts altres processos, entre els quals es troba la gran quantitat d'ozó estratosfèric.
En definitiva, la influència de l'espai en la mesosfera és major que la de la Terra. Però la mesosfera és la primera que dóna la benvinguda a les naus espacials que tornen a la Terra. Potser no des del punt de vista de les molècules que els provoquen la fricció, però sí perquè el vent i els turbulents comencen a notar-se allí. Hi ha molt poca matèria, però el vaixell detecta aquests quilòmetres de vol.
Per l'espai
L'atmosfera no acaba aquí. No obstant això, més enllà a penes hi ha res. Només queden unes poques molècules ionitzades. Però tenen conseqüències. D'una banda, reflecteixen moltes ones de ràdio. Les ones procedeixen de la superfície terrestre i reflecteixen la superfície terrestre. Per això podem escoltar un programa de ràdio emès en Araba a Euskal Herria. Aquest efecte és, a més, més fort durant les nits, quan la radiació solar ha desaparegut.
D'altra banda, es diu que en aquesta capa la temperatura augmenta de nou amb l'altura. No obstant això, en aquestes condicions el concepte de temperatura canvia molt. La molècula és insuficient per a parlar de la temperatura real. És difícil de mesurar perquè per a això haurien de transmetre calor les seves molècules. Però a penes hi ha molècules.
No obstant això, s'ha considerat com una capa d'alta temperatura, que ha estat denominada termosfera. No obstant això, en existir molècules ionitzades, el nom de ionosfera també s'utilitza per a parlar de la part superior de l'atmosfera.
Les últimes molècules de l'atmosfera es troben a 600 quilòmetres o més lluny de la superfície terrestre. Però són tan escassos que dir quin és el límit és gairebé impossible. Allí a penes hi ha res. Finalitza el gas sobre tu. Estem en l'espai. En l'espai negre.
Els núvols, l'atmosfera visible
L'aire no es veu. Quan es condensa el vapor d'aigua de l'aire sí que es veuen els núvols. Adquireixen aspecte gasós però no són de gas. Són líquids, petites gotes d'aigua i, si la temperatura en el moment de la condensació és molt baixa, petits cristalls de gel. Per tant, són sòlids o líquids. I això és el que perceben, entre altres coses, els qui volen en avions ultraràpids. Entrar en un núvol és com xocar contra milers de partícules.
Existeixen molts tipus de núvols, però totes es generen per refredament del vapor d'aigua de l'aire. El vapor es condensa i la gota es converteix en líquid i, a molt baixa temperatura, en un diminut cristall de gel. I, encara que condensats, les gotes no cauen a terra, ja que són arrossegades per petits corrents d'aire.
I tot està relacionat. Aquests corrents d'aire també influeixen en la formació dels núvols. Els núvols que es formen en vents lents s'organitzen en capes, mentre que les produïdes en vents forts es desenvolupen cap amunt.
Però els experts no sols classifiquen els núvols en funció de la seva estructura. Consideren important l'altura a la qual apareix el núvol. Més de cinc mil metres estan dominats per cirros. Com la temperatura a aquesta altura és molt baixa, els cristalls de gel formen els cirros. Els forts vents allarga, però poden tenir altres formes. Els que formen una fina capa que cobreix totalment el cel es diuen cirrostros, mentre que els que tenen forma de trossos llargs de cotó es diuen cirrostros.
Alguna cosa més a baix, a dos mil metres d'altura, els núvols que es generen tenen principalment aigua líquida. Es denominen altoestrats i altocúmuls, de petit i gran gruix respectivament. En els núvols baixos predominen els estrats. Els núvols típics de pluja són nimboestradas, i encara que el cel està totalment cobert pels estratocúmulos que no deixen pluja. A vegades aquests núvols baixos s'estenen en forma de boira i la seva estructura és difícil de detectar, i estan formades per estrats.
Alguns núvols creen vapors d'aigua en augment. Pot ser perquè l'aire escalfat per la superfície terrestre es refreda en pujar. O perquè una cadena muntanyenca fa pujar l'aire. O on l'aire calent es troba amb l'aire fred, en un front, perquè l'aire calent puja i al final es refreda. Els núvols generats en aquestes maneres són de desenvolupament vertical, cúmuls. Alguns donen muntanyes gegants, muntanyes gegants amb forma de fongs. Aquests cúmuls es denominen cumulonimbos.
