El aire pesa

Ligero pero capaz de arrancar una casa de sus cimientos cuando se mueve a gran velocidad, el aire que respiramos ejerce sobre todo el planeta una presión que condiciona cuanto hacemos.

Estatua de Evangelista Torricelli con su
barómetro en el Muso de Historia Natural
de Florencia, Italia. (Foto CC de Sailko,
vía Wikimedia Commons)

Para los primeros humanos, el aire era seguramente un material muy extraño. No se podía ver, pero podía refrescarnos, mover las hojas de los árboles, transportar aromas a grandes distancias o azotarnos con enorme violencia, además de que respirarlo resultaba indispensable.

No es raro entonces que el aire preocupara a los antiguos pensadores. En varias culturas se le consideró uno de los elementos primordiales. Entre los griegos, el filósofo Anaxímenes creyó que era el componente esencial del universo, mientras que la visión de Aristóteles sobre los cuatro elementos predominó en Europa durante 20 siglos. Aristóteles también propuso la idea de que el aire tenía peso.

Además, si las enfermedades llegaban por medios invisibles, quizá las traía el aire. Los “malos aires”, se creyó largamente, eran los portadores de los “miasmas”, contaminaciones que provocaban las enfermedades. Esta superstición aún sigue vigente en consejas como la que nos advierte contra el peligro de que “nos dé un aire” porque, por ejemplo, puede ocasionarnos una parálisis facial... cosa que los niños hallan divertido poner a prueba.

La demostración de que el aire pesaba tuvo que esperar a la revolución científica, aunque su base lógica era sólida: si el aire puede mover objetos, desde una brizna de hierba hasta un gran velero, es porque tiene masa, y todo cuanto tiene masa necesariamente tiene peso en un cuerpo como la Tierra con su atracción gravitacional. En 1613, Galileo desarrolló un método para calcular la “gravedad específica” del aire, es decir, su peso. Utilizó un recipiente hermético que pesó en una balanza muy precisa y en el que luego introdujo tanto aire a presión como pudo, descubriendo que su peso había aumentado. Galileo informó de este hallazgo pese a que abría una serie de preguntas que no se podían resolver en ese momento, como, por ejemplo, por qué no sentimos el peso del aire sobre nosotros. Por alguna causa, sin embargo, los resultados de Galileo estaban equivocados, la realidad es aproximadamente el doble de lo que anotó el astrónomo.

A la misma conclusión llegó el francés Jean Rey por otro camino. Observó que al calcinar plomo y estaño el peso de estos metales aumentaba, y supuso que ello se debía a que al calcinarse estos metales incorporaban aire. Hoy sabemos que algunos materiales se oxidan al calcinarse, incorporando moléculas de oxígeno a su composición y aumentando de peso.

La presión que ejerce el peso del aire sobre la superficie de la Tierra y todo cuanto hay en ella, se conoció finalmente cuando Evangelista Torricelli, que había sido ayudante de Galileo durante los últimos tres años de vida del genio perseguido, fabricó el primer barómetro: un tubo de vidrio lleno de mercurio y cerrado por un extremo, cuyo otro extremo se depositaba en un recipiente con mercurio. El metal dentro del tubo bajaba, creando un vacío en el extremo cerrado del tubo, hasta una altura igual a la de la presión de la atmósfera.

La primera medición de Torricelli de la presión, en 1644, le dio un valor de 760 mm de mercurio, o 0,01 newtons de fuerza por cada centímetro cuadrado. El propio Torricelli, al ver que la altura de su columna de mercurio variaba según las condiciones del clima, predijo que la presión atmosférica sería menor cuanto mayor fuera la altura sobre el nivel del mar, algo que confirmarían experimentos posteriores.

Mientras el estudio del aire se convertía en toda el área de la química dedicada a los gases gracias a Robert Boyle, quien fundó la química moderna en el siglo XVII, el estudio de la presión atmosférica se desarrolló como algo indispensable para el estudio de la meteorología, la historia de nuestro planeta e incluso el comportamiento animal y humano.

La presión del aire es variable precisamente porque los gases se pueden comprimir, así que el peso del aire depende de muchas variables que los físicos fueron determinando con el tiempo.

Por ejemplo, el volumen de un gas se reduce cuanta más presión haya y aumenta cuanto más caliente esté. Esto explicaba, por ejemplo, por qué la presión variaba según el clima. Por lo mismo, para determinar el peso del aire es necesario establecer las condiciones: un metro cúbico de aire seco (sin humedad, que aumenta su peso) a 20ºC de temperatura pesa 1.205 kilogramos. Esto significa que cada uno de nosotros soporta sobre sus hombros aproximadamente una tonelada de aire.

¿Por qué no sentimos ese enorme peso o la presión que ejerce? Porque todo nuestro cuerpo compensa esa presión, es decir, los gases que hay en nuestro interior tienen la misma presión. Nuestro cuerpo tiene un empuje que equilibra la presión atmosférica.

Las consecuencias de esto son interesantes. Por ejemplo, cuando un submarinista pasa un período largo de tiempo a gran profundidad, la presión del agua hace que sea necesario respirar el aire embotellado a una presión muy superior a la de la que hay al nivel del mar. Parte de la mezcla que se respira está formada, como nuestra atmósfera, por gases inertes, principalmente nitrógeno, que siempre están disueltos en todos los tejidos del cuerpo. Pero a gran profundidad, esos gases están a una presión mucho mayor. Si el submarinista asciende súbitamente, esos gases se expanden al disminuir la presión exterior y forman burbujas en sus tejidos y, principalmente, en la sangre, que pueden ocasionar la muerte.

La forma de contrarrestar esta enfermedad por descompresión (que también pueden sufrir otros individuos que trabajen en entornos de gran presión) es colocar a la persona en una cámara a presión similar a la que estuvo sometido bajo el mar y disminuir esa presión gradualmente de modo que la presión de los gases de su cuerpo se equilibre poco a poco y sin formar peligrosas burbujas.

En el otro extremo, la baja presión a grandes alturas explica por qué los montañeros suelen tener que llevar oxígeno complementario. A la altitud del Everest y montañas similares, sólo tienen sobre ellos el 30% de la atmósfera que a nivel del mar, y el oxígeno, por tanto, es escaso.

Presión y cocina No es igual cocinar al nivel del mar que a mayores alturas. Esto hace necesario adaptar las recetas de cocina considerando que es necesario aumentar las temperaturas o los tiempos de horneado, así como la proporción de líquidos y harina para evitar que las masas queden demasiado húmedas, y dado que los gases se expanden más, debe disminuirse la cantidad de levadura. Además, el agua hierve a 100 ºC al nivel del mar, pero a grandes alturas lo hace a menos temperatura, por lo que los platillos con agua, como la pasta, tardan más tiempo en prepararse.

Al otro lado de las tormentas

Recientes descubrimientos en meteorología nos indican cuánto nos falta aún por saber acerca de nuestra atmósfera, y los grandes campos abiertos a los nuevos investigadores.

Un sprite rojo surgiendo por encima de las nubes durante una
tormenta eléctrica. (Fotografía DP del Global Hydrology and
Climate Center, vía Wikimedia Commons) 

Sería razonable pensar que nuestra atmósfera, esa capa sobre la superficie de nuestro planeta donde se encuentra el aire que respiramos, de donde procede la lluvia que recicla el agua del planeta, que nos protege de las radiaciones más potentes del sol, estaría ya suficientemente descrita. Los gases que la componen han sido identificados y estudiados entre los siglos XVIII y XX. Las tormentas eléctricas fueron identificadas como tales por Benjamin Franklin también en el siglo XVIII, al demostrar que los rayos eran electricidad. Su contaminación y problemas son gran preocupación desde el siglo XX.

Viajamos a través de ella, la observamos desde distintas alturas, estudiamos su composición y presión, es la tenue envoltura que permite la vida en este planeta. Y sin embargo, hay mucho que desconocemos sobre los fenómenos que ocurren en la atmósfera, y una serie de descubrimientos realizados desde 1989 nos hablan de un mundo asombroso y hasta entonces casi desconocido, de asombrosos y colosales fenómenos que ocurren por encima de las nubes de tormenta.

No se puede saber desde cuándo el hombre vio, tenuemente, cierta luminosidad roja durante las tormentas eléctricas, encima de las nubes del tipo cumulonimbus. Sabemos, sí, que ya desde 1886 diversos científicos informaron de ella, aunque nunca con certeza, y no pudieron capturarla en las cámaras debido, como sabemos hoy, a su corta duración.

En 1925, dos años antes de recibir el premio Nobel de Física, el escocés Charles Thomson Rees Wilson predijo que las descargas de rayos positivos entre una nube y el suelo debería crear grandes descargas eléctricas muy por encima de las nubes. Finalmente, en 1989, un grupo de científicos de la Universidad de Minnesota capturaron por accidente en una cámara de vídeo de bajo nivel de iluminación este fenómeno, que algunos años después fueron bautizados como sprites, o espíritus del aire, por inspiración de Puck, personaje de la obra Sueño de una noche de verano de William Shakespeare.

Como suele ocurrir con muchos descubrimientos, una vez que se supo dónde había que buscar y con qué instrumentos, a partir de ese momento se han grabado decenas de miles de sprites. Estos fenómenos son de un tamaño colosal, con alturas que llegan a superar los 60 kilómetros, y diámetros de decenas de kilómetros, y se caracterizan por ser manchas alargadas o redondeadas de plasma frío, con color rojo o anaranjado y estructuras filamentosas azules en la parte inferior. Sin embargo, los procesos eléctricos y atmosféricos que ocurren exactamente en el interior de un sprite aún están bajo investigación.

A principios de la década de 1990, un grupo de científicos de la Universidad de Stanford predijeron la existencia de un fenómeno al que llamaron “elve”, una forma de decir “duende” en inglés. En ciertas descargas de rayos especialmente fuertes, se genera un pulso de radiación electromagnética tremendamente potente cuando la energía pasa por la base de la ionósfera, provocando que sus gases resplandezcan durante unas pocas milésimas de segundo, lo que hace que sean imposibles de verse a simple vista. Las imágenes que tenemos nos indican que es como un gigantesco donut en expansión, que puede alcanzar varios cientos de kilómetros de diámetro.

En 1994, y también por accidente, un equipo de la Universidad de Alaska-Fairbanks capturó otro fenómeno óptico que ocurre por encima de las tormentas eléctricas: una eyección de color azul lanzada desde la parte superior de las regiones centrales eléctricamente activas de las tormentas eléctricas y llamada “chorro azul” o “blue jet”. Una vez que salen de la parte superior de las nubes de tormenta, se propagan hacia arriba en estrechos conos de unos 15 grados a velocidades de unos 100 kilómetros por segundo hasta alcanzar varias decenas de kilómetros de altura. Los chorros azules, a diferencia de los sprites, no parecen estar correlacionados con descargas de rayos entre las nubes y la tierra. Con los chorros azules están los iniciadores azules o “blue starters”, más cortos y menos luminosos, como chorros azules que murieron sin desarrollarse.

Finalmente, por el momento, en 2001 los científicos del observatorio de Arecibo fotografiaron un gigantesco chorro del doble de tamaño que los anteriormente observados. Este chorro tuvo una duración de algo menos de un segundo, y luego de subir como un chorro azul se dividió en dos. En 2002, sobre el mar del Sur de China, se observaron otros cinco chorros gigantes.

Todos estos fenómenos ocurren en las capas superiores de la atmósfera. La vida se desarrolla en la capa llamada tropósfera, que es donde ocurren las tormentas. Los chorros azules son fenómenos de la estratósfera, más o menos entre 10 y 60 kilómetros de altura. De los 60 a los 100 kilómetros está la mesósfera, donde se producen los elves y los sprites, quedando por encima de los 100 kilómetros la termósfera, nuestra frontera con el vacío del espacio. Sin embargo, esa gran zona de la mesósfera es en ocasiones llamada por los científicos la “ignorósfera”, porque fue ignorada debido a que era imposible observarla, demasiado alta para ser estudiada con globos meteorológicos, y demasiado baja para ser accesible a las observaciones por satélite.

Pero hoy tenemos herramientas que permiten estudiar más precisamente esta zona, como el propio transbordador espacial y satélites más eficientes, y con ello se abre la posibilidad de descubrir muchos otros fenómenos que pueden ayuda a explicar el comportamiento de la atmósfera, y entender más claramente cuestiones como el agujero de ozono, la actividad electroquímica de la mesósfera y el circuito eléctrico de toda la atmósfera.

Esto no anula que sigan existiendo fenómenos que seguimos estudiando en la zona más visible de nuestra atmósfera, como los relámpagos bola, la producción de rayos X debida a un relámpago (que no se observó sino hasta el año 2001), el magnetismo inducido por rayos y todo el mundo de la predicción meteorológica

Ciertamente no conocemos bien ni el aire que nos rodea, y hay maravillas por descubrir en todas partes, incluso al otro lado de las tormentas.

Fenómenos que podrían existir

En los últimos años se han reportado varios fenómenos que podrían ser simples variantes de los ya conocidos o ser entidades totalmente nuevas. Con nombres relacionados con la mitología de las hadas, hoy los meteorólogos hablan de trolls, formas similares a los chorros azules, pero de color rojo; gnomos, que parecen iniciadores azules, pero más compactos, y pixies, puntos de luz en la superficie de los domos de convexión de las tormentas. Todo un campo de juegos para la ciencia.