III. LA ATMÓSFERA QUE NOS RODEA
CARLOS GAY*
1
EL INTERÉS por el aire que nos rodea se ha despertado en el
común de la gente no hace mucho tiempo. No resulta difícil explicarse este
hecho; el aire, siendo una mezcla de gases, no puede observarse, manejarse
o estudiarse de la misma manera que una roca, o una muestra de líquido, así
que es relativamente fácil olvidarse de él. Sin embargo, esta delgada capa
de nuestro planeta que representa una millonésima parte de su masa, tiene
un papel tan importante en la naturaleza, que es incluso fundamental en el
sostenimiento de los procesos vitales. La atmósfera, por ejemplo, nos protege
de los rayos X y la luz ultravioleta que provienen del Sol y que serían fatales
si éstos alcanzaran la superficie. Esto tiene que ver con un tema de gran
actualidad y al que se le ha dado muy amplia difusión y que es el de la presencia
de la capa de ozono en la estratósfera. Es precisamente esta capa la que no
deja pasar la radiación ultravioleta al absorberla en su totalidad defendiéndonos
de sus efectos nocivos. Entre éstos podemos contar la posible producción de
cánceres de piel, la destrucción del plancton marino y, por ende, modificaciones
a la fauna del planeta. Como se puede uno imaginar, las ocurrencias de los
efectos mencionados tendrían consecuencias catastróficas. Muy recientemente
se ha reportado en la bibliografía científica los resultados de observaciones
que indican que una disminución muy importante de la capa de ozono ocurre
durante la transición de invierno a primavera en el Polo Sur y que parece
ser producida, al menos en parte, por la acción de sustancias que el hombre
deja escapar a la atmósfera. Estos resultados alarmantes han motivado que
se realicen múltiples investigaciones para tratar de determinar el efecto
que las mencionadas disminuciones tendrían sobre la salud y el ambiente y,
al mismo tiempo, están obligando a que la humanidad llegue finalmente a un
acuerdo para controlar las sustancias que afectan la capa de ozono.
Los rayos X son detenidos mucho más alto en la atmósfera, donde causan ionizaciones en los gases presentes. Éstas consisten en que partículas eléctricamente neutras pierden electrones por impacto con un fotón de rayos X, convirtiéndose en iones, que vienen a formar parte de la ionósfera.
La atmósfera también evita que el bombardeo meteorítico constante sobre nuestro planeta nos afecte, destruyendo los meteoros antes de que lleguen a la superficie. Hay otras maneras en que la presencia del aire se hace manifiesta, algunas de ellas muy sutiles.
Podemos ver las nubes, pero no el aire; el cielo se ve azul debido a la dispersión selectiva que de la luz solar realiza el aire. Esta sensación de estar cubiertos por una bóveda azul, condujo a los antiguos a proponer que el cielo era una especie de techo que, en el caso de los griegos, descansaba sobre los hombros de Atlas y que distaba solamente algunos metros de las cimas de las montañas.
No tenemos la sensación de estar rodeados de aire a menos que sople el viento; sin embargo, éste representa un gran peso sobre nosotros. La evidencia de esto fue encontrada hace tres siglos y medio por Evangelista Torricelli, quien, con su famoso experimento del tubo de vidrio y el mercurio, descubrió la presión atmosférica e inventó el barómetro. Éste, en su forma más simple mide la presión atmosférica a través de la altura del nivel de mercurio en un tubo de vidrio.
En la actualidad seguimos midiendo la presión de la atmósfera en términos de milímetros de mercurio, que al nivel del mar es de 76O mm. Esto significa, en otras palabras, que la columna de aire que hay por encima de cada centímetro cuadrado de la superficie terrestre pesa 1.033 kg, así que la presión total sobre nuestro cuerpo es del orden de 10 toneladas. Claro está que la presión dentro de nuestros cuerpos que empuja hacia afuera es más o menos igual y opuesta a la presión atmosférica, así que no notamos el peso del aire.
Si no notamos el peso del aire y no sopla el viento, tenemos una tendencia a olvidarnos de que estamos inmersos en una masa de gas. Sin embargo, en tiempos modernos y viviendo en alguna gran urbe, como puede ser la ciudad de México, es muy difícil olvidarnos de él, y la razón es muy simple aunque no positiva. La contaminación, el polvo, los gases, los óxidos de nitrógeno producidos en combustiones incompletas en fábricas y autos y el hollín, son algunas sustancias que se mezclan en nuestra atmósfera, ensuciándola, y que nosotros, al respirar, padecemos.
Entonces, preocupados, desarrollamos estudios para entender primero cómo se produjo el deterioro de nuestro ambiente respiratorio y después cómo arreglarlo. Las soluciones posibles no siempre son viables pues el problema de la contaminación del aire está íntimamente ligado a la manera en que se plantea el desarrollo tecnológico de las diferentes regiones del planeta y éste a su vez depende de situaciones socio-económico-políticas que para un científico de la atmósfera le son incontrolables. En otras palabras, los problemas de contaminación pueden tener soluciones técnicas que no sean política o socialmente viables en un momento dado. Y, por lo tanto, las soluciones siempre representan un compromiso entre lo que se sabe, se debería hacer y lo que se puede hacer.
Figura 13.
Figura 14. Caricatura del inglés James Gillray hecha hacia 1808.
La atmósfera en nuestro alrededor se encuentra en constante movimiento; éste contribuye a determinar el estado del tiempo, que a su vez regula, de alguna forma, nuestras rutinas diarias. ¿Quién no escucha en las noticias el pronóstico del tiempo y quizá se obliga a cargar el paraguas pues se anuncia lluvia?
Se gasta mucho dinero en ajustarse a las condiciones del tiempo y el clima para vivir confortablemente.
Las condiciones del tiempo pueden ser agentes de pesar y destrucción, pero también de bienestar y bonanza. Esto lo ha sabido la humanidad desde tiempo inmemorial. El viento, la lluvia, los relámpagos, han sido observados, temidos y venerados por el hombre, pues su misma sobrevivencia ha dependido de éstos. Pueblos antiguos, esencialmente agrícolas, entendían que las lluvias eran fundamentales para sus cosechas. Por ello no es difícil comprender que el culto a los dioses del agua y de la vegetación absorbiera gran parte de su vida religiosa.
Figura 15.
Figura 16.
Las explicaciones de carácter mágico de los fenómenos atmosféricos han quedado atrás. Ahora éstas se fincan en el más riguroso proceso de observaciones y análisis, y en la interpretación por medio del uso de modelos físicos y químicos de estos fenómenos. Gran trecho hemos recorrido desde la interpretación aristotélica basada en los cuatro elementos, tierra, agua, aire y fuego, del mundo.
Contestando la pregunta ¿cuán alto es el cielo? se puede decir que la atmósfera no tiene una frontera superior muy bien definida. A medida que aumenta la altitud el aire se vuelve más y más tenue y la presión baja, como pueden atestiguar los alpinistas. Esto se debe a la naturaleza misma de los gases que, a diferencia del agua, son muy compresibles. En otras palabras, una cantidad de gas puede ocupar menos volumen (espacio) cuando se aplica una presión. De aquí se sigue que la atmósfera será más densa en la región que tenga que soportar un mayor peso y esto ocurre en la superficie.
En el siglo XVII Blas Pascal comprobó esto cuando envió a su
hermano a un paseo en el que subiría una montaña de aproximadamente 1 000
m de altura acompañado de un barómetro. La columna de mercurio se desplomó
más de siete centímetros y medio debido a la disminución del peso del aire
por arriba de la cima de la montaña.
En teoría, la atmósfera de nuestro planeta se extiende hasta donde la densidad y la presión se confunden con las condiciones prevalecientes en el espacio interplanetario, donde existe plasma (un plasma está constituido por una población de partículas completamente ionizadas en la que no ocurren colisiones) y en donde los procesos físicos más importantes están dominados por el viento solar. Sin embargo, la noción sostenida hace un siglo de que la atmósfera terminaba a una altura de unos 50 km no es del todo incorrecta: 80% de la atmósfera se encuentra comprendida en una capa que tiene un espesor en promedio de unos 10 km, y el 1% se encuentra por arriba de los 30 km.
La exploración desde el espacio, realizada por medio de satélites, ha revelado la presencia de la atmósfera a distancias de miles de kilómetros.
La cubierta gaseosa de nuestro planeta se puede dividir en varias capas cuyas fronteras o límites están más o menos definidos. Esta clasificación de las partes de la atmósfera se puede realizar con base en la estructura de la temperatura en cada una de ellas o, también, tomando en cuenta los fenómenos característicos que ocurren en ellas.
La troposfera es la capa más baja y densa; su espesor varía entre unos 8 km en los polos, hasta unos 16 km en el ecuador. Contiene la mayoría de la masa de la atmósfera y casi todo el vapor de agua atmosférico. Además, es turbulenta, con vientos poderosos y corrientes convectivas que determinan el estado del tiempo. La temperatura disminuye gradualmente a medida que la altura aumenta.
Hasta finales del siglo pasado y principios del presente se consideraba que la temperatura continuaba decreciendo hasta unos 50 km, donde la atmósfera se confundía con el frío espacio interplanetario. Sin embargo, experimentos con termómetros a bordo de globos, como los efectuados por L. P. Teisserenc de Bort, en 1898, revelaron una región casi isotérmica de cerca de 220°K con un principio cercano a los 11 km a latitudes medias. Esta región ha sido llamada estratosfera, teniendo como base a la tropopausa. La existencia de una región con una inversión de temperatura por encima de la estratosfera, fue sugerida por las observaciones de propagación de sonido a distancias de 100 km o más, que parecían ser el resultado de efectos de refracción de las ondas de sonido en la atmósfera superior. Ahora sabemos que esta inversión resulta por la presencia de ozono en la atmósfera, que además como ya se dijo antes, actúa como un escudo contra la radiación solar ultravioleta.
Figura 17.
A esta región de elevada temperatura se le conoce como mesosfera. Su límite inferior no está bien definido, pero su frontera superior, definida por las temperaturas más bajas que se encuentran en la atmósfera, es la mesopausa, que se encuentra entre los 80 y 85 km de altura.
La radiación ultravioleta de longitud de onda más corta, se absorbe a mayores alturas en la termosfera dando lugar a temperaturas muy elevadas.
Figura 18.
Figura 19.
La descripción dada anteriormente está basada en la estructura térmica de la atmósfera; sin embargo, una descripción paralela puede darse en términos de la composición. El término ozonosfera puede aplicarse a la mesosfera, pero en estos términos no queda muy bien definida pues trazas de ozono se pueden encontrar en otras regiones de la atmósfera.
La ionosfera puede definirse como la parte superior de la atmósfera, donde iones y electrones están presentes en cantidades suficientes para afectar las comunicaciones por radio. La ionosfera actúa en cierto sentido como un espejo, que puede reflejar las ondas de radio. En efecto, estas reflexiones son las que permiten que se reciban señales que provienen de estaciones muy lejanas que no podrían llegar en línea recta por encontrarse la estación más allá del horizonte; sin embargo, lo hacen al ser reflejadas desde arriba por la ionosfera. Esta capacidad de reflexión de la ionosfera depende de su estado eléctrico (conductividad) que a su vez depende de la concentración de iones y electrones y, por lo tanto, modificaciones a éstos (cambios en el número de iones y electrones) alteran las comunicaciones. La ionosfera se extiende hacia abajo hasta los 50 km, donde se traslapa con la ozonosfera; hacia la parte superior, la ionosfera se confunde con la heliosfera donde se encuentra helio y helio ionizado. Más arriba aún se encuentra la protonosfera constituida principalmente por hidrógeno ionizado. La atmósfera puede también describirse en términos de los procesos físicos dominantes en ella. Por ejemplo, la atmósfera está bien mezclada por turbulencia hasta los 100 km aproximadamente, donde ésta cesa abruptamente; a este nivel se le conoce entonces como turbopausa. Por encima de esta región los gases se distribuyen básicamente de acuerdo a su peso molecular y es una región donde dominan procesos de difusión.
Finalmente se encuentra la magnetosfera, región terrestre dominada por el campo magnético de la Tierra. Debido al control magnético, puede considerarse que la atmósfera termina en la magnetopausa, frontera que se encuentra como a diez radios terrestres en el lado día de la Tierra, y a distancias mucho mayores en el lado noche.
La multiplicación y el perfeccionamiento de los instrumentos para observar los fenómenos atmosféricos, así como el crecimiento en capacidad para la acumulación de datos, y en rapidez para manejar éstos por medio de computadoras, han permitido que las ciencias de la atmósfera progresen notablemente.
En México se realizan esfuerzos para la instalación de observatorios y estaciones meteorológicas que aporten constantemente datos sobre fenómenos atmosféricos.
La UNAM realiza investigaciones sobre los fenómenos atmosféricos
en el seno del Centro de Ciencias de la Atmósfera. La meteorología moderna
se inició en México hace unos 100 años al constituirse el Servicio Meteorológico
Nacional.
En la UNAM los estudios sistemáticos sobre los fenómenos atmosféricos
comenzaron en los años 50 en el Instituto de Geofísica.
La importancia creciente de estos estudios en relación con las actividades humanas, el interés por colaborar en el entendimiento de los procesos atmosféricos que intervienen en los procesos agrícolas, la preocupación relativamente reciente por la limpieza del aire que respiramos, son algunos de los motivos que han impulsado la integración de esfuerzos dispersos y la consolidación de cuadros de investigación.
Una vez que se consideró que las ciencias atmosféricas en el Instituto de Geofísica habían alcanzado madurez, se decidió que éstas contaran con organización e instalaciones propias, así nació en 1977 el Centro de Ciencias de la Atmósfera.
Figura 20.
El Centro de Ciencias de la Atmósfera fue creado para realizar investigaciones básicas y aplicadas dentro del ámbito de las ciencias atmosféricas y ambientales y con el propósito de desarrollar instrumental de investigación. Dentro de sus objetivos generales se pueden mencionar el de conocer los fenómenos atmosféricos globales y en especial los que ocurren en México y sus mares adyacentes, el de estudiar la forma de prever y aminorar la contaminación ambiental en la República Mexicana, y el de contribuir a la difusión del conocimiento meteorológico haciéndolo extensivo al mayor número de personas y usuarios. (Figura 20).
UNAM.