Crónicas de la estratosfera

El peso de la atmósfera

Casi todas las buenas historias de la ciencia que uno pueda contar pueden remontarse hasta el gran Galileo Galilei. En arresto domiciliario, habiendo abandonado el uso del telescopio y casi ciego, Galileo continuaba haciendo experimentos que reflejaría en su segunda gran obra, los Discorsi. En el libro describe los experimentos que aparentemente demostraban el peso del aire cuando se introducía comprimido en botellas. Como consecuencia, se convenció de la naturaleza física del aire, aunque sin renunciar a la doctrina aristotélica del “horror al vacío” de la naturaleza; de esta manera explicaba el funcionamiento del sifón por succión del vacío, una intuición que todavía sirve como explicación a muchos de nuestros contemporáneos

En 1641, pocos meses antes de la muerte de Galileo, el matemático romano Evangelista Torricelli llegaba a Florencia y se convertía en pupilo del gran maestro. Fascinado por sus experimentos con el aire, se fijó en una polémica que Galileo había mantenido con el filósofo genovés Giovanni Battista Baliani sobre el funcionamiento de los sifones. Baliani había observado que la altura que podía alcanzar el agua en dichos dispositivos estaba limitada a unos diez metros y razonaba que era el peso del aire de la atmósfera el responsable de empujar el agua hasta esa altura y no la succión del vacío, como sostenía Galileo.

Torricelli con su barómetro de mercurio en 1642. Fuente: Camille Flammarion 1888
Torricelli con su barómetro de mercurio en 1642. Fuente: Camille Flammarion 1888

No hay nada más motivador que demostrar el error de un maestro y Torricelli se puso manos a la obra. Su gran innovación fue hacer mucho más manejable el experimento utilizando mercurio, elemento unas catorce veces más denso que el agua, reduciendo así la escala del montaje y, por consiguiente, la altura de la columna de líquido, en un orden de magnitud.

En 1643, llenó dos tubos de vidrio de aproximadamente un metro de longitud con mercurio, uno de ellos con un fondo en forma de globo esférico. Tapó sus aberturas, los puso boca abajo y los sumergió en un recipiente que contenía a su vez mercurio (ver imagen a continuación). Dejó derramarse el mercurio, que fluyó hasta detenerse a una altura de unos 760 mm en ambos tubos. Si Galileo hubiese tenido razón, el tubo con fondo esférico, que dejaba mayor espacio vacío, succionaría con más fuerza y el mercurio se habría detenido a mayor altura. Torricelli demostraba así que es el aire el que empuja al mercurio y no el vacío el que succiona tratando de impedir su salida: ¡la atmósfera pesa!

Dibujo de Torricelli en una carta a Michelangelo Ricci el 11 de junio de 1644.
Dibujo de Torricelli en una carta a Michelangelo Ricci el 11 de junio de 1644.

Cinco años más tarde, en 1648, Blaise Pascal y Florin Perier subieron al Puy de Dome, un antiguo volcán extinto de 1.464 m de altitud, en el sur de Francia, llevando un incómodo barómetro de Torricelli de un metro de longitud con la intención de medir la variación de la presión con la altitud.

Ilustración en Louis Figuier, Les merveilles de la science, Vol. 1, 1867 Fuente: Météo France
Ilustración en Louis Figuier, Les merveilles de la science, Vol. 1, 1867 Fuente: Météo France

Midieron una presión de 711 mmHg en el nivel de partida, antes y después de la ascensión, mientras que en lo alto del volcán, unos mil metros más arriba, observaron que la columna de mercurio bajaba hasta 627 mm. Confirmaron así la hipótesis de Pascal de que, a medida que ascendemos en la atmósfera, el menor peso de aire sobre nuestras cabezas hace disminuir la presión. Es por tanto esta presión atmosférica la que sostiene la columna de mercurio y no la succión del vacío, como se enseñaba hasta entonces, vindicando la línea de investigación de Torricelli.

Pascal también haría la primera estimación del peso de la atmósfera en unos 4 trillones de kg, no muy desencaminado del valor actual de unos 5 trillones de kg. Si bien es cierto que explicitó una cantidad, con exageradas pretensiones de exactitud, de 8 283 889 440 000 000 000 lb.

La fiebre de los viajes en globo y la temperatura de la atmósfera

Más de un siglo después, en 1787, el geólogo, físico y excursionista alpino Horace Benedict de Saussure repitió las medidas, pero esta vez subiendo al pico más elevado de Europa, el Mont Blanc, a 4810 m de altitud, con un barómetro mucho más portable y un termómetro. Debido al mal de altura, de Saussure permaneció un tiempo limitado realizando medidas, pero aun así logró estimar un descenso de 7ºC cada 1000 m de altitud.

Utilizando los datos obtenidos por de Saussure, el médico y físico germano Hermann von Helmholtz calculó que la temperatura alcanzaría el cero absoluto (-273ºC) a unos 30 km de altitud, lo que sirvió de pistoletazo de salida para explorar la estructura vertical de la atmósfera, es decir, su gradiente de presiones y temperaturas.

No fue hasta la invención del globo de aire caliente en 1783 cuando se contó con un instrumento apropiado para adentrarse en la alta atmósfera. Sólo hacía falta algún valiente con un buen motivo para embarcarse en tal aventura. Y esos dos primeros valientes fueron el experimentado piloto de globos Henry Coxwell y el meteorólogo y astrónomo James Glaisher.

Tras varias expediciones con instrumental a bordo, el 5 de septiembre de 1862 decidieron alcanzar la máxima altitud posible con su globo. Después de más de 6 km de ascensión, Coxwell empezó a presentar problemas con la respiración. Aun así, soltaron lastre con la intención de continuar el ascenso. Cuando lograron alcanzar la cota de los 8 km, la temperatura estaba bastante por debajo del punto de congelación; pero Glaisher continuó haciendo medidas, a pesar de empezar a perder la sensibilidad en brazos y piernas. En algún momento terminó por perder la consciencia y Coxwell reaccionó abriendo la válvula que permitía el descenso del globo. Prácticamente paralizado por el frío, tuvo tiempo de tirar de la cuerda con los dientes para comenzar el descenso, antes de que se produjese el trágico final. Las últimas medidas de altitud indicaban un récord de 10 a 11 km.

Litografía extraída de James Glaisher, ed., Travels in the Air donde podemos ver a Glaisher con claros síntomas de hipoxia y a Coxwell tirando de la cuerda con los dientes para abrir la válvula de escape de aire. Fuente: Neurology
Litografía extraída de James Glaisher, ed., Travels in the Air donde podemos ver a Glaisher con claros síntomas de hipoxia y a Coxwell tirando de la cuerda con los dientes para abrir la válvula de escape de aire.

Tuvo que ocurrir un desgraciado accidente, el 15 de abril de 1875 en París, para que entraran en escena en la última década del siglo XIX los globos meteorológicos, que prescinden de la presencia humana. El aeronauta, divulgador, químico y meteorólogo Gastón Tissandier ascendió junto al periodista Joseph Croce-Spinelli y el oficial de la marina Théodore Sivel, alcanzando los 8.600 metros. A partir de los 8.000 metros, los tres perdieron el conocimiento y sólo Tissandier regresó con vida.

Fuente de la imagen: Hoinka, 1997
Fuente de la imagen: Hoinka, 1997

Globos sonda y el descubrimiento de la estratosfera

Tissander fue uno de los primeros en concebir la idea de enviar varios globos meteorológicos simultáneos para tomar medidas a elevada altitud. El pionero en llevar la idea a la práctica fue el meteorólogo galo León Teisserenc de Bort, que se dedicó a lanzar globos de papel y seda a las afueras de París. Los globos estaban rellenos de hidrógeno, helio, metano o amoniaco y no estaban sellados, para que el gas se fuese perdiendo poco a poco y el globo empezase en algún momento el descenso. Así se podrían recuperar las medidas de los termómetros y barómetros de a bordo.

Lanzamiento de un globo sonda en 1893. Gustave Hermite fue el inventor de este tipo de globos un año antes. Fuente: Météo-France
Lanzamiento de un globo sonda en 1893. Gustave Hermite fue el inventor de este tipo de globos un año antes. Fuente: Météo-France

Un total de 236 globos, lanzados durante la última década del siglo XIX, alcanzaron altitudes superiores a los 11 km —de ellos, 74 superaron los 14 km—, en un trabajo observacional de primera magnitud científica. Simultáneamente, el meteorólogo germano Richard Assmann hacía lo propio en Berlín con sólo 6 lanzamientos utilizando globos de goma, mucho más robustos.

Ambos investigadores, trabajando independientemente, presentaron en 1902 —¡y con sólo tres días de separación!— sus resultados en las academias de la ciencias de sus respectivos países. Habían descubierto una zona de la atmósfera de temperatura aproximadamente constante (isoterma) que Bort situó después de los 8 km y que se prolongaba al menos hasta los 13 km, afirmando desconocer el verdadero espesor de lo que él mismo denominaría, años más tarde, la estratosfera. Por su parte, los datos de Assmann parecían indicar un ligero ascenso de la temperatura hasta los 15 km.

Arriba. Publicación de Teisserenc de Bort "Variaciones en la temperatura del aire libre en la zona entre 8 y 13 km de altitud" Abajo. Artículo de Richard Assmann "Sobre la existencia de un flujo de aire más cálido entre 10 y 15 km de altitud". Fuente: Thomas Birner 2008.
Arriba. Publicación de Teisserenc de Bort “Variaciones en la temperatura del aire libre en la zona entre 8 y 13 km de altitud” Abajo. Artículo de Richard Assmann “Sobre la existencia de un flujo de aire más cálido entre 10 y 15 km de altitud”. Fuente: Thomas Birner 2008.

Durante la primera década del siglo XX continuaron los lanzamientos de globos sonda y la confirmación de que esa región de la atmósfera estaba presente en todo el planeta. En la reunión de la Sociedad Metereológica Germana celebrada en Hamburgo en septiembre de 1908, Bort utilizó por primera vez el término estratosfera, procedente etimológicamente de “estratificado”, debido a que, a diferencia de una troposfera, dominada por convección, en la estratosfera el aire no se mezcla verticalmente. Previamente tendía a denominarse “inversión superior” por ser similar a las inversiones de temperatura registradas más cerca de la superficie, o también “capa isotérmica”, con intención de reflejar la idea errónea de que la temperatura se mantenía aproximadamente constante en toda la región.

En los últimos años de la década, los investigadores británicos también iniciarían su propio programa de globos meteorológicos, que confirmaría la existencia de la capa isoterma, tal y como apreciamos en la figura a continuación. Estaban explorando en realidad lo que se conocería posteriormente como tropopausa.

Curvas de medidas de temperaturas para diferentes lanzamientos de globos sonda. Fuente: Meteorological Glossary
Curvas de medidas de temperaturas para diferentes lanzamientos de globos sonda. Fuente: Meteorological Glossary

¿Quién calienta la estratosfera?

Al final de la primera década del siglo XX, los teóricos ya estaban buscando un mecanismo físico que explicase la existencia de esa división en dos capas de la atmósfera: la troposfera y la estratosfera. Con estas primeras observaciones en mente, E. Gold y W.J. Humphreys proporcionaron independientemente en 1909 un primer cálculo de la temperatura basada en el equilibrio radiativo de una estratosfera que absorbía sólo radiación de la troposfera.

El astrónomo estadounidense Charles Abbot había publicado el año anterior la primera estimación del balance radiativo de la atmósfera, es decir, la cantidad de radiación solar absorbida y reflejada (albedo) y la radiación térmica infrarroja emitida al espacio. Abbot estimó esta última en unos 230 W/m², muy cercano al valor actual de 240 W/m², lo que implica una temperatura efectiva de emisión de algo menos de -20ºC. Utilizando el gradiente térmico de la atmósfera medido en la expedición de de Saussure, de unos -7ºC/km, y partiendo de una temperatura superficial de unos 15ºC, podemos calcular que la radiación térmica escapa al espacio desde una altitud efectiva de unos 5 km.

Eso significa algo muy interesante. No mucho más arriba de unos 10 km, la atmósfera se vuelve muy poco absorbente al infrarrojo (radiación térmica) y a medida que baja la densidad empieza a dominar el transporte de energía por radiación frente a la convección de las capas más bajas. Se puede hacer una estimación de la temperatura de la estratosfera entendida como una capa isoterma en equilibrio radiativo. En realidad se trataba de un cálculo muy sencillo que nos dice que la estratosfera tiene que radiar hacia el espacio la mitad de la energía que recibe de la troposfera. La otra mitad retorna en dirección a la superficie. La mitad de la radiación se traduce en unos -60ºC, que es una temperatura típica de la tropopausa.

Imagen de las capas atmosféricas como fondo a la figura del transbordador espacial Endeavour. Se añaden las potencias superficiales que emite cada capa. Fuente: Wikipedia
Imagen de las capas atmosféricas como fondo a la figura del transbordador espacial Endeavour. Se añaden las potencias superficiales que emite cada capa. Fuente: Wikipedia

Gold y Humphreys realmente no fueron capaces de dar una explicación al comportamiento isotermo de la estratosfera. En realidad sólo mostraron la coherencia de ciertos cálculos básicos con las observaciones. Su razonamiento podemos resumirlo, a riesgo de resultar repetitivos, de la siguiente manera: la temperatura de equilibrio de la troposfera debe ser de -18ºC para radiar 240W/m², la misma potencia superficial con la que el sol calienta la superficie terrestre. En las condiciones de equilibrio radiativo, la estratosfera debería radiar la mitad de esa potencia superficial hacia el espacio, lo que implica que debe estar mucho más fría, a unos -60ºC. Si consideramos el gradiente térmico medido en la troposfera de unos -7 ºC/km y partiendo de una temperatura promedio de la superficie terrestre de unos 15ºC, podemos estimar la altura de la tropopausa en unos (-60ºC – 15ºC)/ (-7ºC/km) ~ 11 km, una altitud perfectamente dentro del rango de las mediciones.

En 1909 ya se habían alcanzado los 30 km de altitud con los globos meteorológicos y en las próximas dos décadas quedaría establecido que en la estratosfera se producía una inversión térmica con respecto a la troposfera. La zona de transición sería bautizada alrededor de 1917 como tropopausa por E. L. Hawke, término que se utilizó en el Glosario Meteorólogico publicado por Napier Shaw en 1918. La tropopausa era la zona que realmente había sido explorada por Bort y Assmann y es una región de la atmósfera realmente complicada de definir y modelar debido a su compleja estructura. La tropopausa puede variar entre los 7 y 10 km aproximadamente en las regiones polares hasta los 16-18 km en los trópicos. Como vemos en la siguiente figura, el perfil de temperatura puede comportarse de diferentes maneras según el tipo de atmósfera (polar, tropical o latitudes medias).

Perfiles de temperatura característicos de la tropopausa. Fuente: UCAR
Perfiles de temperatura característicos de la tropopausa. Fuente: UCAR

Sólo faltaba buscar un mecanismo que explicase el calentamiento de las capas altas de la estratosfera respecto a las inferiores, llegando a un máximo de unos -15ºC a unos 50 km de altitud (en la estratopausa). En 1880 ya W. N. Hartley había identificado perfectamente al culpable, el ozono, y planteaba la línea de investigación a seguir:

“¿Es el ozono un constituyente constante de la atmósfera superior? Y, en caso afirmativo, ¿en qué proporción está probablemente presente?”

Fue en 1930 cuando Sydney Chapman nos proporcionó el mecanismo correcto. En lo alto de la estratosfera, el oxígeno molecular ―que es diatómico― absorbe radiación ultravioleta, dividiéndose en oxígeno atómico. Estos átomos individuales terminan formando el ozono ―molécula compuesta por tres átomos de oxígeno― al encontrarse de nuevo con oxígeno molecular. El ozono absorbe también radiación ultravioleta en otra banda de frecuencias, creando oxígeno molecular y atómico que repite el proceso anterior. Además, el ozono también se descompone en dos moléculas de oxígeno al reaccionar con oxígeno atómico. Todas esas reacciones están en equilibrio, con el resultado global de una cantidad más o menos constante de ozono en la estratosfera.

Ciclo de Chapman | Fuente
Ciclo de Chapman | Fuente

El fotón UV absorbido en el paso 1 de las reacciones de Chapman con longitudes de de onda menores que 0.242 μm provoca la disociación del oxígeno molecular en oxígeno atómico que adquiere energía que transfiere al nitrógeno u oxígeno molecular presente, al mismo tiempo que este último puede producir ozono en el paso 2. Esa absorción neta de energía la que calienta la estratosfera.

W. P. Götz realizó las mediciones oportunas en Arosa, Suiza, con el nuevo espectrómetro que G. M. B. Dobson había inventado a mediados de la década anterior. Götz midió la relación de las intensidades en dos longitudes de ondas apuntando al cenit durante todo el día, obteniendo que esta relación disminuía a medida que se ponía el sol pero aumentaba justo cuando el sol estaba cerca del horizonte. En 1934, Götz, Meetham, y Dobson publicaron una interpretación de este fenómeno, señalando que la respuesta dependía de la forma del perfil de concentración de ozono en función de la altitud. Era una confirmación experimental del mecanismo de Chapman.

Chapman dedujo que existía una zona de máxima producción de ozono en la estratosfera entre 20 y 30 km de altitud, con una concentración máxima de unas 8 ppm (partes por millón).

Perfil de la concentración atmosférica de ozono. Fuente: Ozone Hole Watch. NASA
Perfil de la concentración atmosférica de ozono. Fuente: Ozone Hole Watch. NASA

Existe una competición de dos factores que explican la existencia de esta “capa de ozono”; la radiación ultravioleta es más intensa a medida que subimos en la atmósfera, pero la densidad de oxígeno disminuye exponencialmente con la altitud. Podemos imaginar así la estratosfera como una capa de la atmósfera calentada por la radiación ultravioleta desde arriba.

Estratosferas en otros planetas

El calentamiento de la estratosfera con la altitud, provoca además un interesante fenómeno. Cuando observamos la intensa banda de absorción de 15 μm del CO2 en el infrarrojo desde el espacio, podemos ver un aumento del brillo de emisión del CO2 presente en la estratosfera con respecto al de la troposfera. Esta característica nos permite buscar esta “huella dactilar” de la existencia de una estratosfera en otros planetas y la posibilidad, por tanto, de la presencia de una capa de ozono fundamental para la existencia la vida que conocemos en la Tierra.

En la figura siguiente vemos el pequeño pico de emisión estratosférica de CO2 que aparece en el espectro infrarrojo de la Tierra, pero no de Venus ni de Marte.

Atmósferas de Venus, Marte y la Tierra comparadas. Arriba: Espectro infrarrojo. Abajo: perfil de temperaturas. Fuente: David Crisp y Skeptical Science
Atmósferas de Venus, Marte y la Tierra comparadas. Arriba: Espectro infrarrojo. Abajo: perfil de temperaturas. Fuente: David Crisp y Skeptical Science

Venus y Marte carecen de una estratosfera calentada por la absorción de la radiación ultravioleta por parte del ozono. Sin embargo, los planetas gigantes del Sistema Solar sí presentan estratosferas calentadas por la absorción de hidrocarburos como el metano y el acetileno.

Espectros calculados para los planetas gigantes. Fuente: Patrick Irwin 2009
Espectros calculados para los planetas gigantes. Fuente: Patrick Irwin 2009

El año pasado, una observación del telescopio espacial Hubble permitió identificar una inversión típica de una estratosfera en un planeta extrasolar gigante. El mejor modelo del espectro apunta a una temperatura estratosférica muy elevada, de unos 3000 ºC, producida por una atmósfera rica en compuestos de oxígeno (agua y monóxido de carbono principalmente) y donde destaca la contribución inesperada del óxido de titanio. Un caso muy distinto del de Júpiter, donde la absorción está dominada por hidrocarburos que sólo consiguen una temperatura máxima de apenas unos 70ºC bajo cero.

Atmósfera de WASP-33b junto al mejor ajuste teórico del espectro obtenido por Haynes et al. 2015 compatible con una estratosfera con monóxido de carbono, agua y óxido de titanio como principales absorbentes de la radiación UV. Fuente: Wikipedia
Atmósfera de WASP-33b junto al mejor ajuste teórico del espectro obtenido por Haynes et al. 2015 compatible con una estratosfera con monóxido de carbono, agua y óxido de titanio como principales absorbentes de la radiación UV. Fuente: Wikipedia

Se trata del primer descubrimiento de una estratosfera de un planeta extrasolar poco más de un siglo después al descubrimiento de la nuestra. Y para ello hemos tenido que subir muy alto: hasta la órbita del telescopio espacial a 600 km de altitud, donde Henry Coxwell y James Glaisher jamás soñaron llegar.

“Parecería que somos ciudadanos del cielo, separados de la Tierra por una barrera que parece insuperable”

James Glaisher

Mi agradecimiento a Nieves Delgado, cuyas sugerencias han hecho el texto mucho más legible.

Referencias

BackReaction, Blaise Pascal, Florin Périer, and the Puy de Dôme experiment

John B. West, Torricelli and the Ocean of Air: The First Measurement of Barometric Pressure Physiology (Bethesda). 2013 Mar; 28(2): 66–73.

Hoinka, 1997, The tropopause: discovery, definition and demarcation, Meteorol. Zeitschrift, N. F. 6, 281-303

Richard S. Stolarski, History of the study of atmospheric ozone NASA Goddard Space Flight Center

Tucker, Jennifer, “Voyages of Discovery on Oceans of Air: Scientific Observation and the Image of Science in an Age of “Balloonacy”” (1996). Division II Faculty Publications. Paper 26.

UCAR, History of Discovery of the Atmosphere


2 Comentarios

Participa Suscríbete

IsabelIsabel

Me ha encantado desde el principio, con las primeras mediciones, Galileo, Torricelli, el horror al vacio…., y sin darme cuenta acabo leyendo sobre la atmósfera de un exoplaneta lejano…, pasando por el descubrimiento de la estratosfera, el ozono…
Sencillamente genial!

Deja un comentario

Tu email nunca será mostrado o compartido. No olvides rellenar los campos obligatorios.

Obligatorio
Obligatorio
Obligatorio

Puedes usar las siguientes etiquetas y atributos HTML: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>