O aire pesa!
2005/06/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
Os que se dedican á pedagoxía da ciencia din moitas veces que a xente da rúa non entende como é a atmosfera. Algunhas ideas aceptadas non son correctas. Por unha banda, que o aire non ten peso, está moi estendido. Doutra banda, non hai gravidade fóra da atmosfera, o que se aprecia nas imaxes dos astronautas.
Pero non é certo. O aire ten peso. E a gravidade non termina coa atmosfera. De feito, estas dúas cousas van xuntas, porque o aire está almacenado na 'parte inferior' da zona de gravidade, xunto á superficie terrestre, polo seu peso. A este aire de peso chamamos atmosfera e aféctanos moito. Talvez afixémonos, pero podemos detectar e medir esa influencia.
Por exemplo, a presión atmosférica. A atmosfera exerce una presión aproximada dun quilo de peso por centímetro cadrado. En latitudes de poboacións tépedas, o valor medio adoita ser de 1.033,6 gramos de presión. Cando abres a man, pos en contacto coa atmosfera una superficie superior a cen centímetros cadrados. Imaxina que con esta man mantés a presión de máis de cen quilos.
Pero coidado, non é peso senón presión. Vivimos mergullados nun gas no que as moléculas dese gas circundante chocan constantemente contra nós, como as moléculas de auga contra o corpo dos peixes. Esa é a presión, os choques das moléculas.
A maior número de colisións, maior presión. E, por suposto, o número de colisións depende do número de moléculas; cantas máis moléculas haxa, máis choques prodúcense. Por iso, paira saber si hai moitos ou poucos gases nun determinado volume, non se indica a concentración do gas, senón a presión do gas. No caso da atmosfera ocorre o mesmo; una alta presión atmosférica significa que hai moitas moléculas de aire, pero non por encima, senón pola contorna.
Por iso, o corpo soporta esta presión en todos os sentidos. Tendo en conta a superficie do corpo, un quilo de presión por centímetro cadrado é moito paira o ser humano. Ou debería ser. Como é que esa presión non esmaga totalmente o corpo humano? Como non o fai? Pois porque o corpo tamén exerce presión de dentro cara a fóra. Equilibra a presión xa que o corpo é una estrutura chea de auga que tamén exerce presión. Son os corpos de todos os vivos. Xeran a mesma presión que soportan en sentido contrario. Precisamente por iso, un astronauta que salgue ao espazo debe producir artificialmente a influencia da atmosfera, non só paira poder respirar, senón porque debe compensar dalgunha maneira a presión que exerce o corpo cara a fóra. Na superficie terrestre é o gas atmosférico o que realiza este traballo.
Con todo, a presión atmosférica non é a mesma a todas as alturas, canto maior é a altura, menor é a presión. En definitiva, isto significa que a medida que imos ascendendo pola superficie hai menos gases. Merece a pena facer unha viaxe á alza paira ver como está distribuído o gas.
Apilados na parte inferior
Pódese dicir que a maior parte do aire atópase na parte inferior; o 80% da masa atmosférica atópase no dez quilómetros inferiores. Moi preto do nivel do mar. Dalgunha maneira, o aire está acumulado sobre a superficie terrestre. Os montañeiros sábeno perfectamente; a tres mil metros, por exemplo, a atmosfera é moi lixeira, só hai tres cuartas partes da presión a nivel do mar. Isto apréciase na densidade do aire, un litro de aire no mar pesa 1,226 gramos e a tres mil metros, una media de 0,910 gramos. A dez mil metros, é dicir, á altura que ocupan os avións comerciais, o litro de aire pesa só 0,413 gramos. No seu aire hai moito menos gas, moito menos materia. Parece que un avión non pode voar arriba, porque ese gas ten que aguantar paira voar.
Por outra banda, é coñecido que nesta ascensión tamén cambia a temperatura. Normalmente, ao subir preto de 180 metros, a temperatura baixa un grao, debido ao intercambio de calor coa Terra. A Terra quenta a parte baixa da atmosfera. Por iso a temperatura baixa a medida que aumenta. Pero isto non ocorre en toda a atmosfera. A partir dun límite, a temperatura da atmosfera non diminúe máis, queda a uns 50 graos baixo cero.
A parte da atmosfera até ese límite chámase troposfera e a propia fronteira chámase tropopausa. Son nomes moi apropiados, xa que o prefixo 'tropo' significa cambio. A zona é moi variable, o aire móvese moito en todas as direccións, quéntase e arrefríase, producindo moitos remolinos. Nunca se alcanza o equilibrio, onde se producen todos os fenómenos meteorolóxicos.
Pero na tropopausa a situación cambia radicalmente. A acción da cortiza terrestre é moi débil, xa que por unha banda está moi lonxe e por outro, o aire é moi lixeiro. Hai poucas moléculas, polo que a presión é baixa. E o intercambio de calor prodúcese a través de choques intermoleculares. Dado que na tropopausa hai menos moléculas de aire que na superficie terrestre, a transmisión de calor é máis lenta.
Outro ceo
A tropopausa atópase a 10 quilómetros de altura, pero non sempre nin en todas partes. Está máis abaixo nos polos e máis arriba no ecuador. No inverno baixa e sobe no verán. En definitiva, cando a temperatura sobe, tamén a tropopausa. De feito, algúns científicos creen que o quecemento global do planeta provocou centos de metros de subida á tropopausa, pero hai poucos datos e moitas dúbidas.
Con todo, na tropopausa a situación cambia moito. O aire tamén se move cara arriba, sopra aire rápido, pero non cara arriba ou cara abaixo, senón en horizontal. Estratos. Non é de estrañar que os científicos dean a esta parte o nome de estratosfera.
A verdade é que hai una razón para que así sexa. The temperature of the air increases in the estratosfer as increased. Por tanto, o aire quente acumúlase na parte superior e o frío na parte inferior, é dicir, o aire máis lixeiro atópase na parte superior e o máis pesado na inferior, e non se xeran correntes de aire ascendentes ou descendentes por densidade. O contrario do que ocorre na troposfera.
Desde o punto de vista das correntes, esta situación é perfecta paira voar. Nos voos comerciais, os avións soben até a estratosfera porque é una zona sen turbulencias.
E desde outros puntos de vista, a estratosfera é moi especial. Por exemplo, desde o punto de vista da composición química. A composición da estratosfera é moi similar á da troposfera. Con todo, o intercambio de materia entre as dúas capas é moi lento, xa que na estratosfera o gas apenas flúe cara arriba ou cara abaixo. É certo que nas erupciones dalgúns volcáns os gases chegan até alí, pero non alteran moito a súa composición.
Existen dúas diferenzas significativas entre os gases da troposfera e da estratosfera. A primeira falta de auga. A auga non chega á estratosfera, se condensa e cae á Terra. Hai un pouco, pero o que se creou alí. E ese pouco de auga necesita una temperatura moi baixa paira crear as nubes. En consecuencia, na estratosfera hai poucas nubes que se forman sobre os polos.
A segunda diferenza é a presenza da molécula máis famosa da estratosfera: o ozono. Quen nunca ouviu falar da capa de ozono na estratosfera? A radiación solar é xerada a partir do osíxeno e atópase atrapada nos estratos de correntes de aire. Non ten escapes mentres non se asocia con contaminantes. Menos mal, este ozono absorbe os raios ultravioleta.
A maior parte do ozono atópase na estratosfera, pero tamén se detecta a partir de aí. A verdade é que no límite superior da estratosfera, na estratopausa, non queda moito gas; hai moi poucas moléculas, moi baixa presión. Atópase a uns 50 quilómetros da superficie terrestre.
E máis aló, na mesosfera, moito menos. Con todo, o seu comportamento é importante. Como son moi poucos se producen moi poucos impactos entre eles. Isto significa que a transmisión de calor é moi lenta.
Crese que isto ten que ver co cambio de temperatura. A medida que se ascende esta capa, a temperatura diminúe, ao contrario do que ocorre na estratosfera. Tamén alcanza os cen graos baixo cero. E nestas condicións se condensan as nubes. Hai nubes na mesosfera! Chámanse nubes nocuas. Poden verse ás veces ás escuras. Pero os científicos saben pouco destas nubes.
En calquera caso, non hai moita materia arriba. E por iso, a mesosfera non está protexida da influencia do espazo. Os raios ultravioleta son facilmente ionizables por estas poucas moléculas, e prodúcense outros moitos procesos, entre os que se atopa a gran cantidade de ozono estratosférico.
En definitiva, a influencia do espazo na mesosfera é maior que a da Terra. Pero a mesosfera é a primeira que dá a benvida ás naves espaciais que volven á Terra. Quizais non desde o punto de vista das moléculas que lles provocan a fricción, pero si porque o vento e os turbulentos empezan a notarse alí. Hai moi pouca materia, pero o barco detecta eses quilómetros de voo.
Polo espazo
A atmosfera non termina aí. Con todo, máis aló apenas hai nada. Só quedan unhas poucas moléculas ionizadas. Pero teñen consecuencias. Por unha banda, reflicten moitas ondas de radio. As ondas proceden da superficie terrestre e reflicten a superficie terrestre. Por iso podemos escoitar un programa de radio emitido en Araba en Euskal Herria. Este efecto é, ademais, máis forte durante as noites, cando a radiación solar ha desaparecido.
Doutra banda, dise que nesta capa a temperatura aumenta de novo coa altura. Con todo, nestas condicións o concepto de temperatura cambia moito. A molécula é insuficiente paira falar da temperatura real. É difícil de medir porque paira iso terían que transmitir calor as súas moléculas. Pero apenas hai moléculas.
No entanto, considerouse como una capa de alta temperatura, que foi denominada termosfera. No entanto, ao existir moléculas ionizadas, o nome de ionosfera tamén se utiliza paira falar da parte superior da atmosfera.
As últimas moléculas da atmosfera atópanse a 600 quilómetros ou máis lonxe da superficie terrestre. Pero son tan escasos que dicir cal é o límite é case imposible. Alí apenas hai nada. Finaliza o gas sobre ti. Estamos no espazo. No espazo negro.
As nubes, a atmosfera visible
O aire non se ve. Cando se condensa o vapor de auga do aire si ven as nubes. Adquiren aspecto gaseoso pero non son de gas. Son líquidos, pequenas pingas de auga e, se a temperatura no momento da condensación é moi baixa, pequenos cristais de xeo. Por tanto, son sólidos ou líquidos. E iso é o que perciben, entre outras cousas, quen voan en avións ultrarrápidos. Entrar nunha nube é como chocar contra miles de partículas.
Existen moitos tipos de nubes, pero todas se xeran por arrefriado do vapor de auga do aire. O vapor se condensa e a pinga convértese en líquido e, a moi baixa temperatura, nun diminuto cristal de xeo. E, aínda que condensados, as pingas non caen ao chan, xa que son arrastradas por pequenas correntes de aire.
E todo está relacionado. Estas correntes de aire tamén inflúen na formación das nubes. As nubes que se forman en ventos lentos organízanse en capas, mentres que as producidas en ventos fortes desenvólvense cara arriba.
Pero os expertos non só clasifican as nubes en función da súa estrutura. Consideran importante a altura á que aparece a nube. Máis de cinco mil metros están dominados por cirros. Como a temperatura a esa altura é moi baixa, os cristais de xeo forman os cirros. Os fortes ventos alarga, pero poden ter outras formas. Os que forman una fina capa que cobre totalmente o ceo chámanse cirrostros, mentres que os que teñen forma de anacos longos de algodón chámanse cirrostros.
Algo máis abaixo, a dous mil metros de altura, as nubes que se xeran teñen principalmente auga líquida. Denomínanse altoestratos e altocúmulos, de pequeno e gran espesor respectivamente. Nas minchas baixas predominan os estratos. As nubes típicas de choiva son nimboestradas, e aínda que o ceo está totalmente cuberto polos estratocúmulos que non deixan choiva. Ás veces estas nubes baixas esténdense en forma de néboa e a súa estrutura é difícil de detectar, e están formadas por estratos.
Algunhas nubes crean vapores de auga en aumento. Pode ser porque o aire quentado pola superficie terrestre arrefríase ao subir. Ou porque una cadea montañosa fai subir o aire. Ou onde o aire quente atópase co aire frío, nunha fronte, porque o aire quente sobe e ao final arrefríase. As nubes xeradas nestes modos son de desenvolvemento vertical, cúmulos. Algúns dan montañas xigantes, montañas xigantes con forma de fungos. Estes cúmulos denomínanse cumulonimbos.
