viernes, 21 de diciembre de 2018

El aire


El aire que respiramos no es un compuesto químico, sino una mezcla de gases, formada en un 99,997 % –por debajo de los 90 km de altitud sobre la superficie terrestre– por cinco componentes: nitrógeno (N2), oxígeno (O2), argón (Ar), dióxido de carbono (CO2) y vapor de agua.

El aire en Suiza
El aire que respiramos está compuesto por una mezcla de gases muy homogénea cuya temperatura desciende, generalmente, con la altura

De los cinco componentes principales del aire, el nitrógeno, el oxígeno y el argón son considerados gases permanentes, porque su concentración no varía de forma sustancial en el tiempo, ya que tienen un período de permanencia muy grande (se consideran gases permanentes aquellos con una duración media de las moléculas en la atmósfera superior a 1.000 años).

La tabla siguiente recoge la proporción en la que se hallan los distintos gases que componen el aire atmosférico en las proximidades del suelo, así como su tiempo de permanencia:


En las proporciones que figuran en el cuadro anterior, ninguno de los gases es considerado como contaminante, ya que forman parte de la composición natural del aire. Sin embargo, entre ellos aparecen muchos que, habitualmente, se identifican como contaminantes: el dióxido de carbono, el sulfuro de hidrógeno, los óxidos de nitrógeno y de azufre o el propio ozono. Esto es así cuando su concentración en el aire supera sustancialmente la que corresponde al equilibrio natural de la atmósfera, de forma que, cuando éste se altera, hablamos de contaminantes atmosféricos.

El aire que respiramos, aun en su estado más puro, contienen también partículas sólidas y líquidas en suspensión, lo suficientemente pequeñas como para que su tiempo de permanencia en la atmósfera sea importante. Muchas de estas partículas, llamadas aerosoles, son emitidas por fuentes industriales o urbanas, aunque también pueden hallarse de forma natural en la atmósfera. Una parte de ellas procede de reacciones químicas entre los gases contaminantes.

El vapor de agua representa aproximadamente el 4% en volumen del aire situado cerca del suelo; es resultado de la evaporación de las aguas superficiales de océanos y mares y de la transpiración de las plantas. Sin embargo, su bajo peso molecular hace que sea transportado con relativa facilidad hacia arriba por las corrientes ascendentes, hasta una altura máxima de 10-12 km sobre la superficie terrestre, franja en la que la turbulencia es más efectiva. A alturas superiores la concentración de vapor de agua en el aire es prácticamente nula.

- ¿Podemos considerar al aire como un gas perfecto?


Si prescindimos del vapor de agua –dado su bajo tiempo de permanencia en la atmósfera (del orden de 10 días)–, de todos los gases que forman parte de la composición del aire en muy pequeña proporción y de las posibles impurezas presentes en el mismo, podemos hablar de aire seco o aire puro con una composición fija hasta alturas de 16 km:

- N2: 755,5 g / kg aire seco.
- O2: 231,4 g / kg aire seco.
- Ar: 13,1 g / kg aire seco.

El hecho de que estos gases se hallen en unas condiciones de presión y temperatura muy alejadas de las críticas para cada uno de ellos, hace que podamos identificar el aire seco con un gas perfecto a la hora de describir la evolución térmica de la atmósfera. El efecto del vapor de agua en el aire es mínimo mientras no se den condiciones que favorezcan su condensación.

- Evolución termodinámica del aire


La mezcla de los gases que componen el aire atmosférico es muy homogénea hasta niveles muy altos, debido a la agitación atmosférica. Esto quiere decir que los gases están perfectamente mezclados entre sí, algo que no ocurriría si no existiera turbulencia, ya que en este caso los gases más ligeros ascenderían más rápido que los más pesados y al aire que respiraríamos los seres vivos estaría formado casi en exclusiva por nitrógeno y oxígeno.

Una de las principales características de la atmósfera desde el punto de vista termodinámico es que la temperatura del aire desciende, en general, con la altura. No obstante, existen estratos en los que ocurre exactamente lo contrario; son las denominadas inversiones térmicas, que se caracterizan por una gran estabilidad que impide las corrientes verticales y los movimientos turbulentos (favorecen, por tanto, la concentración de contaminantes por debajo de ellas).


- Aire frío y cálido. Su influencia en el comportamiento de la atmósfera


Una masa de aire frío es aquella que se halla a temperatura inferior que el suelo sobre el que se encuentra. Normalmente proviene de latitudes altas y, por tanto, según evoluciona hacia latitudes más bajas se va calentando. Se trata de una masa de aire inestable, en la que se desarrollan con facilidad corrientes verticales convectivas como resultado del calor que absorben del suelo, y también corrientes turbulentas. El efecto de estas corrientes es la dispersión por toda la masa del aire del vapor de agua y de las partículas de polvo procedentes del suelo. Por eso, las capas bajas de la atmósfera quedan limpias de impurezas y proporcionan una gran visibilidad.

Por el contrario, una masa de aire cálido posee mayor temperatura que el suelo sobre el que se halla, ya que normalmente procede de bajas latitudes y evoluciona hacia las más altas. Al estar el suelo más frío, las capas más bajas de la masa de aire se enfrían antes que las superiores, por lo que suele producirse una "inversión de tierra", es decir, una inversión térmica junto al suelo, en la que la temperatura del aire aumenta con la altura. Las corrientes verticales en estas capas, por tanto, quedan impedidas, lo que hace que se acumulen el vapor de agua y las partículas de polvo en la zona más próximo al suelo, dificultando la visibilidad.

En primavera ocurre que, aunque el aire no procede de latitudes frías, se comporta como una masa fría por efecto de la radiación solar, que empieza a ser cada vez más fuerte y hace que el suelo se caliente antes que el aire. Por eso suelen darse días muy claros y limpios en esta época del año. Por el contrario, las nieblas son características del otoño, debido al fenómeno opuesto: al decrecer la radiación solar, el suelo se enfría antes que el aire que se halla sobre él, por lo que éste se comporta como una masa cálida aunque no provenga de latitudes bajas. La inversión térmica que se produce hace que se acumule el vapor de agua, dando origen a la niebla.