La forma del aire

El aire preocupaba a los antiguos griegos pues, como uno de los apenas cuatro elementos que creían que componían el Universo, era una sustancia misteriosa que respiramos y que podemos sentir, pero no ver.

Algunos pensaban que ese aire se extendía a todo el Universo. En el libro 'Una historia verdadera', de Luciano de Samosata, un remolino de aire lleva a sus protagonistas a la Luna, donde pueden respirar sin problema. Otros pensaban que más arriba, en las esferas celestiales, había otra sustancia, el éter, más sutil, puro y traslúcido… pero la idea es enormemente imprecisa.

La noción que tenemos hoy de la atmósfera surgió en el siglo XVII, cuando se le dio nombre. La finitud de la atmósfera se podía suponer a partir de los descubrimientos de Evangelista Torricelli, alumno y amanuense de los últimos días de Galileo. Para explicar por qué una bomba de succión solo podía subir agua a una altura de 10 metros, Torricelli propuso que vivimos en un «mar de aire» que ejerce presión sobre nosotros por tener un peso que, al nivel del mar, sería igual al de una columna de agua de unos 10 metros. Para demostrarlo, Torricelli creó el primer barómetro.

Por desgracia, era difícil estudiar esa atmósfera mostrada por Torricelli en 1643 más allá de las alturas de las montañas. Cinco años después Blas Pascal y Florin Perier decidieron subir a un pequeño volcán extinto, el Puy de Dome, en el centro de Francia, llevando consigo una aparatosa columna de un metro de alto llena de muy pesado mercurio, un barómetro de Torricelli. Consiguieron así averiguar que la presión atmosférica disminuía conforme alcanzaban mayor altura. Concluyeron que esto se debía a una diferencia en el peso del aire sobre ellos y Pascal concluyó que, si seguían subiendo, en algún momento la atmósfera desaparecería, su peso sería cero, y por tanto concluyó que existía un vacío sobre la atmósfera, el espacio interestelar.

Para alcanzar más altura tuvo que llegar Jean-François Pilâtre de Rozier, un profesor e investigador de Física y Química que el 19 de septiembre de 1783 lanzó el primer globo de aire caliente, iniciando la aeronáutica como disciplina y permitiendo el estudio de alturas antes inalcanzables. Dos meses después, los hermanos Montgolfier hicieron el primer viaje tripulado en globo y apenas un año más tarde el químico Louis-Bernard Guyton-Morveau llevó en un globo instrumentos para medir la temperatura y la presión atmosféricas llegando a una altura de 3.000 metros.

En 1862, Henry Tracey Coxwell y James Glaisher descubrieron una nueva frontera, subiendo hasta unos 8.800 metros de altura (pero probablemente llegando a los 11.300) perdiendo la conciencia y casi la vida por falta de oxígeno. En ese momento de la historia esas alturas se reservaban a instrumentos de medición y allí entra en escena Teisserenc de Bort, que ya era reconocido como científico por su trabajo desde 1880 en el Centro Administrativo de Meteorología Nacional en París; además había viajado a África para estudiar su geología y el magnetismo terrestre, lo que le valió ser nombrado meteorólogo en jefe en 1892. En 1896 instaló su propio observatorio meteorológico y empezó a lanzar sus globos con instrumentos.

Los pioneros de los globos tripulados ya habían reportado que así como la presión disminuye con la altura, la temperatura del aire también baja aproximadamente un 3% por cada kilómetro. Pero, analizando los resultados de decenas de experimentos, Teisserenc de Bort vio que, a partir aproximadamente de los 11 kilómetros de altura, la temperatura dejaba de disminuir y se mantenía constante o, incluso, aumentaba.

Había, a nuestro alrededor, al menos dos capas de gases diferenciadas. De Bort bautizó a la inferior, donde vivimos, como tropósfera, del griego 'tropos', que significa 'vuelta', y es la capa de giros y mezclas, mientras que llamó a la superior estratósfera, del griego 'stratos', capa o estrato. El motivo de la diferencia de comportamiento entre ambas capas es una inversión térmica: la estratósfera, que es mucho más seca, tiene una temperatura superior a la tropósfera, debido a la absorción de la luz solar en sus zonas más altas y, por tanto, no permite que haya un mayor intercambio de temperatura con la capa inferior. La frontera de esta inversión térmica, la llamada 'tropopausa', se encuentra a distintas alturas en nuestro planeta, desde unos 17 kilómetros en las regiones ecuatoriales hasta apenas 9 kilómetros sobre las regiones polares.

La composición de las dos capas, sin embargo, es esencialmente la misma, pero la troposfera tiene una mucho mayor cantidad de vapor de agua (el 99% contra el 1% de la estratosfera) y, con ella, las nubes (escasas en la estratósfera) y un gran movimiento vertical debido al ascenso y descenso de aire según su temperatura; esto genera corrientes de convexión que provocan los vientos y las alteraciones de presión de las tormentas. La estratósfera, por su parte, alcanza una altura de entre 50 y 55 kilómetros y su calor hace que estabilice las condiciones atmosféricas, de modo que las turbulencias del aire se ven confinadas a la troposfera. Su falta de vapor de agua permite la existencia de ozono, que juega un papel fundamental en la absorción de la radiación ultravioleta del sol, permitiendo la vida en la Tierra.

Hoy sabemos que por encima de la estratosfera descrita por Teisserenc de Bort, hay otras tres capas. La mesósfera, mucho menos densa, se encuentra a alturas de entre 50 y 80 kilómetros, con la misma composición química pero es la más fría de las tres, que juntas conforman lo que los meteorólogos llaman la 'homósfera', por la distribución homogénea de los gases atmosféricos. Por encima está la heterósfera, donde los gases se separan según peso y la forman dos capas: la termósfera, una región de altas temperaturas que se extiende varios cientos de kilómetros y es donde se producen las auroras boreales y australes, además de ser el lugar donde orbitan la Estación Espacial Internacional y muchos satélites, aunque también tenemos en órbita aparatos en la capa final, la exósfera, la región que intermedia entre la atmósfera terrestre y el espacio interplanetario.