Donde acaba la atmósfera

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Por Andrés Pinar Solé, alumno en prácticas en el Área de Información meteorológica y climatológica.

Agencia Estatal de Meteorología (Aemet)

Embarcado en uno de esos viajes mentales, tal vez hayas sobrevolado los océanos, visitado la Antártida y aterrizado en las más altas cumbres. De pronto, fijas la vista en el cielo, y comienzas a ascender, cada vez más alto, hasta que…Un momento, ¿dónde acaba la atmósfera? ¿Cuándo estoy oficialmente flotando en el espacio?

La naturaleza carece de una definición fija para cada una de sus partes, no se puede confinar todo su esplendor y complejidad en una sentencia; podemos intentar pintar el cosmos, pero nunca obtendremos su perfecta fotografía. La naturaleza no se enclaustra en modelos perfectos, su exuberancia esquiva cualquier encarcelamiento general. Así pues, ni la Tierra es una esfera, ni la atmósfera posee un límite definido, como veremos a continuación.

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Imágen del Cosmos de Humboltd

La envoltura gaseosa que circunda la Tierra nos permite respirar, pero también nos protege de la radiación dañina y hasta de las tormentas solares. En definitiva, todo este gas nos hace un gran favor quedándose con nosotros, pero ¿por qué lo hace? ¿Por qué la atmósfera no abandona la tierra?

Seguramente lo habréis adivinado. Sí, por la gravedad. No obstante, algo tan etéreo como un gas debe ser complicado de retener, y así es, en efecto. La atmósfera no contiene una cantidad fija de materia, sino que esta interactúa con el espacio y la propia Tierra, perdiendo y ganando masa. Como ya avanzamos en el artículo “El secreto de las nubes. ¿Por qué flotan?” (https://aemetblog.es/2017/08/16/el-secreto-de-las-nubes-por-que-flotan/), los gases son partículas que se desplazan, colisionan y poseen energía cinética. En ocasiones, las moléculas de gas viajan con suficiente velocidad como para abandonar el campo gravitatorio terrestre, lo que se conoce como velocidad de escape, y esto depende del valor de la gravedad que afecta a cada partícula.

 

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Velocidad de escape

 

Pues sí, la gravedad varía según donde se mida, y el valor al que estamos acostumbrados de 9.8 m/s^2 es una media de todos los valores en la superficie. Esto se debe a dos factores:

  1. La Tierra no es esférica, adopta una figura asimétrica que origina al geoide, una superficie equipotencial al nivel del mar. A esto hay que sumarle la atracción gravitatoria de cadenas montañosas, océanos y masas de roca densa; todo ello contribuye a que la medida de la gravedad en la superficie diste de ser constante.
  2. La gravedad varía con la altura. Esto es sencillo de comprender, cuanto más lejos de la Tierra, menor es su efecto gravitatorio.

 

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Geoide

La consecuencia de estos dos fenómenos es una distribución asimétrica de la atmósfera: si la gravedad varía con la altura y posición, la presión también lo hará, de manera que la atmósfera no se encuentra a la misma presión en dos puntos con altura semejante. Esto hace que la distribución de gas no sea la de una envoltura perfectamente esférica.

 

A todo esto hay que sumar la rotación de la Tierra, que arrastra la atmósfera mediante la fricción con la superficie, y los vientos convectivos que hacen de ella una estructura dinámica. Imaginemos una olla hirviendo que condensa el vapor en torno a sí, sería un buen ejemplo de la superficie ondulada, difusa y cambiante que es el límite de la atmósfera.

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Variación de la densiad de la atmósfera con la altura

Además, el gas de las capas inferiores sufre el peso de las capas superiores, es decir, está a más presión, y esto tiene consecuencias. En la superficie la presión es de una atmósfera, disminuyendo con la altura, conforme hay menos gas encima, haciendo del límite una franja que se va difuminando al alejarnos de la superficie. La relación masa/altura no es lineal, encontramos que la mayoría de la masa de la atmósfera se concentra en sus primeras capas, estando casi vacía en sus capas exteriores. Salir de la atmósfera es, por tanto, un proceso casi imperceptible, aunque no lo parezca cuando oímos hablar de las violentas reentradas de las cápsulas espaciales. Estas recorren tanto espacio en tan poco tiempo que pueden resultar rebotadas, pero no implica que exista un límite sólido de la atmósfera.

 

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Variación de la presión con la altura

 

Por último, los ingenieros aeronáuticos han definido la línea de Karman como el lugar en el que ya no se puede generar sustentación suficiente como para que un cuerpo pueda mantenerse volado mediante hélices o alas, sino que debe adscribirse a una órbita para mantener la altitud a velocidad orbital. Está situado a unos 100 km de altura desde el nivel del mar, y en este punto la atmósfera tiene una densidad tan baja que las hélices son inútiles, siendo necesario un motor de propulsión cohete para desplazar la aeronave.

 

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Línea de Karman

Para concluir y satisfacer a los curiosos, la velocidad orbital se relaciona con la masa y la altura del cuerpo y es la velocidad mínima a la cual un objeto debe moverse para conseguir una órbita estable alrededor de la Tierra, por ejemplo, la Estación Espacial Internacional vuela a unos 400 km de altura, a una velocidad de 27 000 kilómetros por hora, e incluso a esta distancia sufre el frenado de las últimas trazas de gas de la atmósfera, viéndose obligada a ganar altitud de vez en cuando para mantener la órbita.

 

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Capas de la atmósfera

Bibliografía:

Imágenes:

 

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