¡El aire pesa!
2005/06/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
Los que se dedican a la pedagogía de la ciencia dicen muchas veces que la gente de la calle no entiende cómo es la atmósfera. Algunas ideas aceptadas no son correctas. Por un lado, que el aire no tiene peso, está muy extendido. Por otro lado, no hay gravedad fuera de la atmósfera, lo que se aprecia en las imágenes de los astronautas.
Pero no es cierto. El aire tiene peso. Y la gravedad no termina con la atmósfera. De hecho, estas dos cosas van juntas, porque el aire está almacenado en la 'parte inferior' de la zona de gravedad, junto a la superficie terrestre, por su peso. A este aire de peso llamamos atmósfera y nos afecta mucho. Tal vez nos hemos acostumbrado, pero podemos detectar y medir esa influencia.
Por ejemplo, la presión atmosférica. La atmósfera ejerce una presión aproximada de un kilo de peso por centímetro cuadrado. En latitudes de poblaciones templadas, el valor medio suele ser de 1.033,6 gramos de presión. Cuando abres la mano, pones en contacto con la atmósfera una superficie superior a cien centímetros cuadrados. Imagina que con esta mano mantienes la presión de más de cien kilos.
Pero cuidado, no es peso sino presión. Vivimos sumergidos en un gas en el que las moléculas de ese gas circundante chocan constantemente contra nosotros, como las moléculas de agua contra el cuerpo de los peces. Esa es la presión, los choques de las moléculas.
A mayor número de colisiones, mayor presión. Y, por supuesto, el número de colisiones depende del número de moléculas; cuantos más moléculas haya, más choques se producen. Por ello, para saber si hay muchos o pocos gases en un determinado volumen, no se indica la concentración del gas, sino la presión del gas. En el caso de la atmósfera ocurre lo mismo; una alta presión atmosférica significa que hay muchas moléculas de aire, pero no por encima, sino por el entorno.
Por ello, el cuerpo soporta esta presión en todos los sentidos. Teniendo en cuenta la superficie del cuerpo, un kilo de presión por centímetro cuadrado es mucho para el ser humano. O debería ser. ¿Cómo es que esa presión no aplasta totalmente el cuerpo humano? ¿Cómo no lo hace? Pues porque el cuerpo también ejerce presión de dentro hacia fuera. Equilibra la presión ya que el cuerpo es una estructura llena de agua que también ejerce presión. Son los cuerpos de todos los vivos. Generan la misma presión que soportan en sentido contrario. Precisamente por ello, un astronauta que sale al espacio debe producir artificialmente la influencia de la atmósfera, no sólo para poder respirar, sino porque debe compensar de alguna manera la presión que ejerce el cuerpo hacia fuera. En la superficie terrestre es el gas atmosférico el que realiza este trabajo.
Sin embargo, la presión atmosférica no es la misma a todas las alturas, cuanto mayor es la altura, menor es la presión. En definitiva, esto significa que a medida que vamos ascendiendo por la superficie hay menos gases. Merece la pena hacer un viaje al alza para ver cómo está distribuido el gas.
Apilados en la parte inferior
Se puede decir que la mayor parte del aire se encuentra en la parte inferior; el 80% de la masa atmosférica se encuentra en los diez kilómetros inferiores. Muy cerca del nivel del mar. De alguna manera, el aire está acumulado sobre la superficie terrestre. Los montañeros lo saben perfectamente; a tres mil metros, por ejemplo, la atmósfera es muy ligera, sólo hay tres cuartas partes de la presión a nivel del mar. Esto se aprecia en la densidad del aire, un litro de aire en el mar pesa 1,226 gramos y a tres mil metros, una media de 0,910 gramos. A diez mil metros, es decir, a la altura que ocupan los aviones comerciales, el litro de aire pesa sólo 0,413 gramos. En su aire hay mucho menos gas, mucho menos materia. Parece que un avión no puede volar arriba, porque ese gas tiene que aguantar para volar.
Por otra parte, es conocido que en esta ascensión también cambia la temperatura. Normalmente, al subir cerca de 180 metros, la temperatura baja un grado, debido al intercambio de calor con la Tierra. La Tierra calienta la parte baja de la atmósfera. Por eso la temperatura baja a medida que aumenta. Pero esto no ocurre en toda la atmósfera. A partir de un límite, la temperatura de la atmósfera no disminuye más, queda a unos 50 grados bajo cero.
La parte de la atmósfera hasta ese límite se llama troposfera y la propia frontera se llama tropopausa. Son nombres muy apropiados, ya que el prefijo 'tropo' significa cambio. La zona es muy variable, el aire se mueve mucho en todas las direcciones, se calienta y se enfría, produciendo muchos remolinos. Nunca se alcanza el equilibrio, donde se producen todos los fenómenos meteorológicos.
Pero en la tropopausa la situación cambia radicalmente. La acción de la corteza terrestre es muy débil, ya que por un lado está muy lejos y por otro, el aire es muy ligero. Hay pocas moléculas, por lo que la presión es baja. Y el intercambio de calor se produce a través de choques intermoleculares. Dado que en la tropopausa hay menos moléculas de aire que en la superficie terrestre, la transmisión de calor es más lenta.
Otro cielo
La tropopausa se encuentra a 10 kilómetros de altura, pero no siempre ni en todas partes. Está más abajo en los polos y más arriba en el ecuador. En invierno baja y sube en verano. En definitiva, cuando la temperatura sube, también la tropopausa. De hecho, algunos científicos creen que el calentamiento global del planeta ha provocado cientos de metros de subida a la tropopausa, pero hay pocos datos y muchas dudas.
Sin embargo, en la tropopausa la situación cambia mucho. El aire también se mueve hacia arriba, sopla aire rápido, pero no hacia arriba o hacia abajo, sino en horizontal. Estratos. No es de extrañar que los científicos hayan dado a esta parte el nombre de estratosfera.
La verdad es que hay una razón para que así sea. The temperature of the air increases in the estratosfer as increased. Por tanto, el aire caliente se acumula en la parte superior y el frío en la parte inferior, es decir, el aire más ligero se encuentra en la parte superior y el más pesado en la inferior, y no se generan corrientes de aire ascendentes o descendentes por densidad. Lo contrario de lo que ocurre en la troposfera.
Desde el punto de vista de las corrientes, esta situación es perfecta para volar. En los vuelos comerciales, los aviones suben hasta la estratosfera porque es una zona sin turbulencias.
Y desde otros puntos de vista, la estratosfera es muy especial. Por ejemplo, desde el punto de vista de la composición química. La composición de la estratosfera es muy similar a la de la troposfera. Sin embargo, el intercambio de materia entre las dos capas es muy lento, ya que en la estratosfera el gas apenas fluye hacia arriba o hacia abajo. Es cierto que en las erupciones de algunos volcanes los gases llegan hasta allí, pero no alteran mucho su composición.
Existen dos diferencias significativas entre los gases de la troposfera y de la estratosfera. La primera falta de agua. El agua no llega a la estratosfera, se condensa y cae a la Tierra. Hay un poco, pero lo que se ha creado allí. Y ese poco de agua necesita una temperatura muy baja para crear las nubes. En consecuencia, en la estratosfera hay pocas nubes que se forman sobre los polos.
La segunda diferencia es la presencia de la molécula más famosa de la estratosfera: el ozono. ¿Quién nunca ha oído hablar de la capa de ozono en la estratosfera? La radiación solar es generada a partir del oxígeno y se encuentra atrapada en los estratos de corrientes de aire. No tiene escapes mientras no se asocia con contaminantes. Menos mal, este ozono absorbe los rayos ultravioleta.
La mayor parte del ozono se encuentra en la estratosfera, pero también se detecta a partir de ahí. La verdad es que en el límite superior de la estratosfera, en la estratopausa, no queda mucho gas; hay muy pocas moléculas, muy baja presión. Se encuentra a unos 50 kilómetros de la superficie terrestre.
Y más allá, en la mesosfera, mucho menos. Sin embargo, su comportamiento es importante. Como son muy pocos se producen muy pocos impactos entre ellos. Esto significa que la transmisión de calor es muy lenta.
Se cree que esto tiene que ver con el cambio de temperatura. A medida que se asciende esta capa, la temperatura disminuye, al contrario de lo que ocurre en la estratosfera. También alcanza los cien grados bajo cero. Y en estas condiciones se condensan las nubes. ¡Hay nubes en la mesosfera! Se llaman nubes nocuas. Pueden verse a veces a oscuras. Pero los científicos saben poco de estas nubes.
En cualquier caso, no hay mucha materia arriba. Y por ello, la mesosfera no está protegida de la influencia del espacio. Los rayos ultravioleta son fácilmente ionizables por estas pocas moléculas, y se producen otros muchos procesos, entre los que se encuentra la gran cantidad de ozono estratosférico.
En definitiva, la influencia del espacio en la mesosfera es mayor que la de la Tierra. Pero la mesosfera es la primera que da la bienvenida a las naves espaciales que vuelven a la Tierra. Quizás no desde el punto de vista de las moléculas que les provocan la fricción, pero sí porque el viento y los turbulentos empiezan a notarse allí. Hay muy poca materia, pero el barco detecta esos kilómetros de vuelo.
Por el espacio
La atmósfera no termina ahí. Sin embargo, más allá apenas hay nada. Sólo quedan unas pocas moléculas ionizadas. Pero tienen consecuencias. Por un lado, reflejan muchas ondas de radio. Las ondas proceden de la superficie terrestre y reflejan la superficie terrestre. Por eso podemos escuchar un programa de radio emitido en Araba en Euskal Herria. Este efecto es, además, más fuerte durante las noches, cuando la radiación solar ha desaparecido.
Por otro lado, se dice que en esta capa la temperatura aumenta de nuevo con la altura. Sin embargo, en estas condiciones el concepto de temperatura cambia mucho. La molécula es insuficiente para hablar de la temperatura real. Es difícil de medir porque para ello tendrían que transmitir calor sus moléculas. Pero apenas hay moléculas.
No obstante, se ha considerado como una capa de alta temperatura, que ha sido denominada termosfera. No obstante, al existir moléculas ionizadas, el nombre de ionosfera también se utiliza para hablar de la parte superior de la atmósfera.
Las últimas moléculas de la atmósfera se encuentran a 600 kilómetros o más lejos de la superficie terrestre. Pero son tan escasos que decir cuál es el límite es casi imposible. Allí apenas hay nada. Finaliza el gas sobre ti. Estamos en el espacio. En el espacio negro.
Las nubes, la atmósfera visible
El aire no se ve. Cuando se condensa el vapor de agua del aire sí se ven las nubes. Adquieren aspecto gaseoso pero no son de gas. Son líquidos, pequeñas gotas de agua y, si la temperatura en el momento de la condensación es muy baja, pequeños cristales de hielo. Por tanto, son sólidos o líquidos. Y eso es lo que perciben, entre otras cosas, quienes vuelan en aviones ultrarrápidos. Entrar en una nube es como chocar contra miles de partículas.
Existen muchos tipos de nubes, pero todas se generan por enfriamiento del vapor de agua del aire. El vapor se condensa y la gota se convierte en líquido y, a muy baja temperatura, en un diminuto cristal de hielo. Y, aunque condensados, las gotas no caen al suelo, ya que son arrastradas por pequeñas corrientes de aire.
Y todo está relacionado. Estas corrientes de aire también influyen en la formación de las nubes. Las nubes que se forman en vientos lentos se organizan en capas, mientras que las producidas en vientos fuertes se desarrollan hacia arriba.
Pero los expertos no sólo clasifican las nubes en función de su estructura. Consideran importante la altura a la que aparece la nube. Más de cinco mil metros están dominados por cirros. Como la temperatura a esa altura es muy baja, los cristales de hielo forman los cirros. Los fuertes vientos alarga, pero pueden tener otras formas. Los que forman una fina capa que cubre totalmente el cielo se llaman cirrostros, mientras que los que tienen forma de trozos largos de algodón se llaman cirrostros.
Algo más abajo, a dos mil metros de altura, las nubes que se generan tienen principalmente agua líquida. Se denominan altoestratos y altocúmulos, de pequeño y gran espesor respectivamente. En las nubes bajas predominan los estratos. Las nubes típicas de lluvia son nimboestradas, y aunque el cielo está totalmente cubierto por los estratocúmulos que no dejan lluvia. A veces estas nubes bajas se extienden en forma de niebla y su estructura es difícil de detectar, y están formadas por estratos.
Algunas nubes crean vapores de agua en aumento. Puede ser porque el aire calentado por la superficie terrestre se enfría al subir. O porque una cadena montañosa hace subir el aire. O donde el aire caliente se encuentra con el aire frío, en un frente, porque el aire caliente sube y al final se enfría. Las nubes generadas en estos modos son de desarrollo vertical, cúmulos. Algunos dan montañas gigantes, montañas gigantes con forma de hongos. Estos cúmulos se denominan cumulonimbos.
