III. LA ATM�SFERA QUE NOS RODEA

III. LA ATM�SFERA QUE NOS RODEA

CARLOS GAY*
EL INTER�S por el aire que nos rodea se ha despertado en el com�n de la gente no hace mucho tiempo. No resulta dif�cil 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 l�quido, as� que es relativamente f�cil olvidarse de �l. Sin embargo, esta delgada capa de nuestro planeta que representa una millon�sima parte de su masa, tiene un papel tan importante en la naturaleza, que es incluso fundamental en el sostenimiento de los procesos vitales. La atm�sfera, por ejemplo, nos protege de los rayos X y la luz ultravioleta que provienen del Sol y que ser�an fatales si �stos alcanzaran la superficie. Esto tiene que ver con un tema de gran actualidad y al que se le ha dado muy amplia difusi�n y que es el de la presencia de la capa de ozono en la estrat�sfera. Es precisamente esta capa la que no deja pasar la radiaci�n ultravioleta al absorberla en su totalidad defendi�ndonos de sus efectos nocivos. Entre �stos podemos contar la posible producci�n de c�nceres de piel, la destrucci�n del plancton marino y, por ende, modificaciones a la fauna del planeta. Como se puede uno imaginar, las ocurrencias de los efectos mencionados tendr�an consecuencias catastr�ficas. Muy recientemente se ha reportado en la bibliograf�a cient�fica los resultados de observaciones que indican que una disminuci�n muy importante de la capa de ozono ocurre durante la transici�n de invierno a primavera en el Polo Sur y que parece ser producida, al menos en parte, por la acci�n de sustancias que el hombre deja escapar a la atm�sfera. Estos resultados alarmantes han motivado que se realicen m�ltiples investigaciones para tratar de determinar el efecto que las mencionadas disminuciones tendr�an sobre la salud y el ambiente y, al mismo tiempo, est�n 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 m�s alto en la atm�sfera, donde causan ionizaciones en los gases presentes. �stas consisten en que part�culas el�ctricamente neutras pierden electrones por impacto con un fot�n de rayos X, convirti�ndose en iones, que vienen a formar parte de la ion�sfera.
La atm�sfera tambi�n evita que el bombardeo meteor�tico 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 dispersi�n selectiva que de la luz solar realiza el aire. Esta sensaci�n de estar cubiertos por una b�veda 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 monta�as.
No tenemos la sensaci�n de estar rodeados de aire a menos que sople el viento; sin embargo, �ste 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, descubri� la presi�n atmosf�rica e invent� el bar�metro. �ste, en su forma m�s simple mide la presi�n atmosf�rica a trav�s de la altura del nivel de mercurio en un tubo de vidrio.
En la actualidad seguimos midiendo la presi�n de la atm�sfera en t�rminos de mil�metros 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 cent�metro cuadrado de la superficie terrestre pesa 1.033 kg, as� que la presi�n total sobre nuestro cuerpo es del orden de 10 toneladas. Claro est� que la presi�n dentro de nuestros cuerpos que empuja hacia afuera es m�s o menos igual y opuesta a la presi�n atmosf�rica, as� 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 M�xico, es muy dif�cil olvidarnos de �l, y la raz�n es muy simple aunque no positiva. La contaminaci�n, el polvo, los gases, los �xidos de nitr�geno producidos en combustiones incompletas en f�bricas y autos y el holl�n, son algunas sustancias que se mezclan en nuestra atm�sfera, ensuci�ndola, y que nosotros, al respirar, padecemos.
Entonces, preocupados, desarrollamos estudios para entender primero c�mo se produjo el deterioro de nuestro ambiente respiratorio y despu�s c�mo arreglarlo. Las soluciones posibles no siempre son viables pues el problema de la contaminaci�n del aire est� �ntimamente ligado a la manera en que se plantea el desarrollo tecnol�gico de las diferentes regiones del planeta y �ste a su vez depende de situaciones socio-econ�mico-pol�ticas que para un cient�fico de la atm�sfera le son incontrolables. En otras palabras, los problemas de contaminaci�n pueden tener soluciones t�cnicas que no sean pol�tica o socialmente viables en un momento dado. Y, por lo tanto, las soluciones siempre representan un compromiso entre lo que se sabe, se deber�a hacer y lo que se puede hacer.

Figura 13.

Figura 14. Caricatura del ingl�s James Gillray hecha hacia 1808.

La atm�sfera en nuestro alrededor se encuentra en constante movimiento; �ste contribuye a determinar el estado del tiempo, que a su vez regula, de alguna forma, nuestras rutinas diarias. �Qui�n no escucha en las noticias el pron�stico del tiempo y quiz� 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 destrucci�n, pero tambi�n de bienestar y bonanza. Esto lo ha sabido la humanidad desde tiempo inmemorial. El viento, la lluvia, los rel�mpagos, han sido observados, temidos y venerados por el hombre, pues su misma sobrevivencia ha dependido de �stos. Pueblos antiguos, esencialmente agr�colas, entend�an que las lluvias eran fundamentales para sus cosechas. Por ello no es dif�cil comprender que el culto a los dioses del agua y de la vegetaci�n absorbiera gran parte de su vida religiosa.

Figura 15.

Figura 16.

Las explicaciones de car�cter m�gico de los fen�menos atmosf�ricos han quedado atr�s. Ahora �stas se fincan en el m�s riguroso proceso de observaciones y an�lisis, y en la interpretaci�n por medio del uso de modelos f�sicos y qu�micos de estos fen�menos. Gran trecho hemos recorrido desde la interpretaci�n aristot�lica basada en los cuatro elementos, tierra, agua, aire y fuego, del mundo.

Contestando la pregunta �cu�n alto es el cielo? se puede decir que la atm�sfera no tiene una frontera superior muy bien definida. A medida que aumenta la altitud el aire se vuelve m�s y m�s tenue y la presi�n 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 presi�n. De aqu� se sigue que la atm�sfera ser� m�s densa en la regi�n que tenga que soportar un mayor peso y esto ocurre en la superficie.
En el siglo XVII Blas Pascal comprob� esto cuando envi� a su hermano a un paseo en el que subir�a una monta�a de aproximadamente 1 000 m de altura acompa�ado de un bar�metro. La columna de mercurio se desplom� m�s de siete cent�metros y medio debido a la disminuci�n del peso del aire por arriba de la cima de la monta�a.
En teor�a, la atm�sfera de nuestro planeta se extiende hasta donde la densidad y la presi�n se confunden con las condiciones prevalecientes en el espacio interplanetario, donde existe plasma (un plasma est� constituido por una poblaci�n de part�culas completamente ionizadas en la que no ocurren colisiones) y en donde los procesos f�sicos m�s importantes est�n dominados por el viento solar. Sin embargo, la noci�n sostenida hace un siglo de que la atm�sfera terminaba a una altura de unos 50 km no es del todo incorrecta: 80% de la atm�sfera 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 exploraci�n desde el espacio, realizada por medio de sat�lites, ha revelado la presencia de la atm�sfera a distancias de miles de kil�metros.
La cubierta gaseosa de nuestro planeta se puede dividir en varias capas cuyas fronteras o l�mites est�n m�s o menos definidos. Esta clasificaci�n de las partes de la atm�sfera se puede realizar con base en la estructura de la temperatura en cada una de ellas o, tambi�n, tomando en cuenta los fen�menos caracter�sticos que ocurren en ellas.
La troposfera es la capa m�s baja y densa; su espesor var�a entre unos 8 km en los polos, hasta unos 16 km en el ecuador. Contiene la mayor�a de la masa de la atm�sfera y casi todo el vapor de agua atmosf�rico. Adem�s, 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 atm�sfera se confund�a con el fr�o espacio interplanetario. Sin embargo, experimentos con term�metros a bordo de globos, como los efectuados por L. P. Teisserenc de Bort, en 1898, revelaron una regi�n casi isot�rmica de cerca de 220°K con un principio cercano a los 11 km a latitudes medias. Esta regi�n ha sido llamada estratosfera, teniendo como base a la tropopausa. La existencia de una regi�n con una inversi�n de temperatura por encima de la estratosfera, fue sugerida por las observaciones de propagaci�n de sonido a distancias de 100 km o m�s, que parec�an ser el resultado de efectos de refracci�n de las ondas de sonido en la atm�sfera superior. Ahora sabemos que esta inversi�n resulta por la presencia de ozono en la atm�sfera, que adem�s como ya se dijo antes, act�a como un escudo contra la radiaci�n solar ultravioleta.

Figura 17.

A esta regi�n de elevada temperatura se le conoce como mesosfera. Su l�mite inferior no est� bien definido, pero su frontera superior, definida por las temperaturas m�s bajas que se encuentran en la atm�sfera, es la mesopausa, que se encuentra entre los 80 y 85 km de altura.
La radiaci�n ultravioleta de longitud de onda m�s corta, se absorbe a mayores alturas en la termosfera dando lugar a temperaturas muy elevadas.

Figura 18.

Figura 19.

La descripci�n dada anteriormente est� basada en la estructura t�rmica de la atm�sfera; sin embargo, una descripci�n paralela puede darse en t�rminos de la composici�n. El t�rmino ozonosfera puede aplicarse a la mesosfera, pero en estos t�rminos no queda muy bien definida pues trazas de ozono se pueden encontrar en otras regiones de la atm�sfera.
La ionosfera puede definirse como la parte superior de la atm�sfera, donde iones y electrones est�n presentes en cantidades suficientes para afectar las comunicaciones por radio. La ionosfera act�a en cierto sentido como un espejo, que puede reflejar las ondas de radio. En efecto, estas reflexiones son las que permiten que se reciban se�ales que provienen de estaciones muy lejanas que no podr�an llegar en l�nea recta por encontrarse la estaci�n m�s all� del horizonte; sin embargo, lo hacen al ser reflejadas desde arriba por la ionosfera. Esta capacidad de reflexi�n de la ionosfera depende de su estado el�ctrico (conductividad) que a su vez depende de la concentraci�n de iones y electrones y, por lo tanto, modificaciones a �stos (cambios en el n�mero 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. M�s arriba a�n se encuentra la protonosfera constituida principalmente por hidr�geno ionizado. La atm�sfera puede tambi�n describirse en t�rminos de los procesos f�sicos dominantes en ella. Por ejemplo, la atm�sfera est� bien mezclada por turbulencia hasta los 100 km aproximadamente, donde �sta cesa abruptamente; a este nivel se le conoce entonces como turbopausa. Por encima de esta regi�n los gases se distribuyen b�sicamente de acuerdo a su peso molecular y es una regi�n donde dominan procesos de difusi�n.
Finalmente se encuentra la magnetosfera, regi�n terrestre dominada por el campo magn�tico de la Tierra. Debido al control magn�tico, puede considerarse que la atm�sfera termina en la magnetopausa, frontera que se encuentra como a diez radios terrestres en el lado d�a de la Tierra, y a distancias mucho mayores en el lado noche.
La multiplicaci�n y el perfeccionamiento de los instrumentos para observar los fen�menos atmosf�ricos, as� como el crecimiento en capacidad para la acumulaci�n de datos, y en rapidez para manejar �stos por medio de computadoras, han permitido que las ciencias de la atm�sfera progresen notablemente.
En M�xico se realizan esfuerzos para la instalaci�n de observatorios y estaciones meteorol�gicas que aporten constantemente datos sobre fen�menos atmosf�ricos.
La UNAM realiza investigaciones sobre los fen�menos atmosf�ricos en el seno del Centro de Ciencias de la Atm�sfera. La meteorolog�a moderna se inici� en M�xico hace unos 100 a�os al constituirse el Servicio Meteorol�gico Nacional.
En la UNAM los estudios sistem�ticos sobre los fen�menos atmosf�ricos comenzaron en los a�os 50 en el Instituto de Geof�sica.
La importancia creciente de estos estudios en relaci�n con las actividades humanas, el inter�s por colaborar en el entendimiento de los procesos atmosf�ricos que intervienen en los procesos agr�colas, la preocupaci�n relativamente reciente por la limpieza del aire que respiramos, son algunos de los motivos que han impulsado la integraci�n de esfuerzos dispersos y la consolidaci�n de cuadros de investigaci�n.
Una vez que se consider� que las ciencias atmosf�ricas en el Instituto de Geof�sica hab�an alcanzado madurez, se decidi� que �stas contaran con organizaci�n e instalaciones propias, as� naci� en 1977 el Centro de Ciencias de la Atm�sfera.

Figura 20.

El Centro de Ciencias de la Atm�sfera fue creado para realizar investigaciones b�sicas y aplicadas dentro del �mbito de las ciencias atmosf�ricas y ambientales y con el prop�sito de desarrollar instrumental de investigaci�n. Dentro de sus objetivos generales se pueden mencionar el de conocer los fen�menos atmosf�ricos globales y en especial los que ocurren en M�xico y sus mares adyacentes, el de estudiar la forma de prever y aminorar la contaminaci�n ambiental en la Rep�blica Mexicana, y el de contribuir a la difusi�n del conocimiento meteorol�gico haci�ndolo extensivo al mayor n�mero de personas y usuarios. (Figura 20).