Composición de la atmósfera

De igual manera que para un marino, donde el conocimiento cabal de los mares le es imprescindible para navegar con seguridad, para un piloto, el conocimiento amplio y exhaustivo de la “Atmósfera” le es de vital importancia para volar y navegar hacia su destino.

La “Atmósfera Terrestre” es la capa de gasees que cubre nuestro Planeta. El mar donde navegaremos. Los diferentes gases que la componen son atraídos por la gravedad de la Tierra y se mantienen en ella a pesar de los vientos solares que tienden a barrerla, pero la gravedad de nuestro planeta es suficiente como para mantenerla.

Los elementos que principalmente componen la atmósfera son:

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  • Nitrógeno:  78 % del volumen del aire.
  • Oxígeno: Representa el 21 % del volumen del aire.
  • Argón: Contribuye en 0,93 % al volumen del aire.
  • Dióxido de carbono: Representa el 0,03 % del volumen del aire y participa en procesos biológicos y climatológicos muy importantes.
  • Ozono: Es un gas minoritario que se encuentra en la estratosfera.
  • Vapor de agua: Se encuentra en cantidad muy variable y participa en la formación de nubes o la niebla.
  • Partículas sólidas y líquidas: En el aire se encuentran muchas partículas sólidas en suspensión, como por ejemplo, el polvo que levanta el viento o el polen. Entre los líquidos, la sustancia más importante es el agua en suspensión que se encuentra en las nubes.

La atmósfera se encuentra divida en varias capas, de las cuales nos centraremos solo en las primeras capas por ser el área de operación de las aeronaves. Aquí podemos discriminar:

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  • Mesosfera: entre 50 y 80 km.
  • Estratósfera: desde los 11 km hasta los 50 km.
  • Tropopausa: línea imaginaria que separa a la tropósfera de la estratósfera (11km en ISA)
  • Tropósfera: desde el nivel del mar hasta los 11 km.

La porción del espacio que ocupa cada capa es estimada, ya que la troposfera varía según las condiciones de temperatura y presión en la superficie de la Tierra, condiciones que varían también, según la hora del día. Es por ello que, a los fines prácticos y operativos, fue necesario crear un modelo a partir del cual se puedan realizar cálculos para el diseño y vuelo de las aeronaves que sea común en todo el mundo. Muy difícil sería poder mantener los márgenes de seguridad operacional o la estandarización general de la actividad aeronáutica sin parámetros modelo.

La atmósfera terrestre protege la vida de la Tierra, absorbiendo en la capa de ozono parte de la radiación solar ultravioleta, reduciendo las diferencias de temperatura entre el día y la noche, y actuando como escudo protector contra los meteoritos.

Una particularidad de la atmósfera es que un 95% de la totalidad del aire que la compone, se encuentra a menos de 30 km de altura y más del 75 % solo en la troposfera (11 Km). Llamamos  aire a una mezcla de gases bastante homogénea que encontramos en la troposfera, su comportamiento es el equivalente al que tendría si estuviera compuesto por un solo gas.

Sabemos que la materia está compuesta en forma básica de átomos y mediante la unión de éstos, a través de enlaces atómicos, conforman sus moléculas. Asimismo, la fortaleza entre los enlaces moleculares permite establecer cuatro diferentes estados de la misma: sólido, líquido, gaseoso y plasma (éste último no será objeto de estudio en esta materia). Cuanto más fuerte sea la unión entre los enlaces, estaremos en presencia de un sólido, mientras que, cuando los enlaces moleculares son mucho más débiles, estaremos en presencias de un gas. Un líquido tiene un valor intermedio de energía entre los enlaces de sus moléculas, respecto a los sólidos y los gases.

Llamamos Fluídos a toda sustancia material cuyas partículas presentan una gran movilidad y se desplazan libremente debido a la poca cohesión existente entre ellas. Un fluido es materia capaz de fluir; abarca los conceptos de líquido y gaseoso.

Arribamos entonces a la conclusión de que “nuestra atmósfera es un fluído” y los tres parámetros que definen a un fluido son:

  • Temperatura (T)
  • Densidad (ρ)
  • Presión (p)

Temperatura: como las moléculas tienen un movimiento “aleatorio”, existen choques entre las mismas, como consecuencia de dichos “choques” se genera energía cinética y su manifestación es la temperatura.

La temperatura afecta a la materia en su estado y en su volumen. Prueba de lo primero lo tenenos con solo recordar los términos “Temperatura de Fusión”, “Temperatura de Congelamiento” y “Temperatura de Licuación”, etc. El primero define a que temperatura un sólido se convierte en líquido, el segundo, a qué temperatura un líquido se convierten en sólido y el ultimo se refiere a la temperatura donde un gas, se convierte en líquido.

Como prueba de la variación del volumen con la temperatura, mencionemos el caso del congelamiento del agua (0º C), donde ocurre el paso del estado líquido al sólido y viene de la mano de un aumento del 10% del volumen. Esto explica lo que ocurre cuando dejamos en el congelador/Freezer una botella o lata de gaseosa, cerveza o cualquier otra bebida, cuando su contenido se congela, el aumento del volumen incrementa la presión interna en el envase y termina abriendo las tapas o rompiendo al mismo. 

Las unidades empleadas para establecer valores a este parámetro y sus referencias son:

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La Temperatura que percibimos a nuestro alrededor es en gran parte, producto de las radiaciones solares que llegan a nuestro planeta desde el Sol. Sus rayos Infrarrojos y Ultravioletas en parte son absorbidos y en parte reflejados por la superficie Terrestre. A su vez, la parte de energía reflejada (rayos reflejados) por la superficie, vuelve a reflejarse en las diferentes capas de la atmósfera en dirección a la superficie, aumentando el calor de la misma. Este fenómeno es el conocido “Efecto Invernadero”.

En nuestra atmósfera, la temperatura disminuye con la altura a razón de -6,5° C cada 1000 metros o también podemos decir -2° C cada 1000 pies. Esta disminución se mantiene hasta llegar a la tropopausa (aproximadamente 11 Km) y en la estratósfera permanece constante hasta que vuelve a aumentar en la mesosfera.

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En el gráfico podemos observar una representación de las variaciones de la temperatura de nuestra atmósfera respecto a la altura. En este gráfico empleamos el eje horizontal (abzisas), para reflejar los valores de temperatura ambiente al nivel del mar y sobre el eje de ordenadas, la altura sobre el nivel del mar.  En la representación se considera una temperatura al nivel del mar de 15 ºC  ó 288,15 ºK.

Podemos observar como la temperatura se reduce “linealmente” desde la altura de 0 a 11 Km, luego mantiene la temperatura a pesar de los incrementos de altitud y en determinada altura (dependiente de diversos factores), la temperatura comienza a incrementarse.

Densidad: es una magnitud que permite medir la cantidad de masa que existe en una sustancia en un determinado volumen. Esta relación de un material entre su masa y su volumen, es representada por la letra griega rho “ρ”. En general, la densidad de una sustancia varía cuando cambia la presión o la temperatura, y en sus cambios de estado (cuando pasa de solido a líquido o gaseoso y viceversa). 

En particular se ha establecido empíricamente que:

  • Cuando aumenta la presión, la densidad de cualquier material estable también aumenta, en forma muy notable en los gases, pero casi impercible en líquidos y sólidos.
  • Como regla general, al aumentar la temperatura, la densidad disminuye (si la presión permanece constante).
  • De manera práctica, para los líquidos y sólidos la densidad es constante. Esto es debido a que las variaciones que presentan en cuanto a dilatarse o contraerse debido a cambios de presión y/o temperatura son relativamente pequeños.

En algunos fluidos, la densidad puede tener poca variación, mientras que en otros esa diferencia puede ser importante. Los primeros son denominados comprensibles y los segundos incomprensibles.

En la figura, podemos observar un experimento práctico. Con un émbolo aplicando presión sobre una masa de agua encerrada en un recipiente, veríamos que el émbolo apenas se desplazaría por más que la fuerza sea grande. Con el aire ocurre lo contrario, el émbolo puede desplazarse por todo el cilindro. Concluímos que el agua es un fluido incomprensible mientras que el aire es comprensible, pero cuando hablamos de cómo varía este parámetro con el vuelo de las aeronaves (velocidad) debemos hacer una diferente entre el vuelo a grandes velocidades y a baja velocidad (por debajo de M° 0.5) ya que por debajo de ciertos valores a los fines del estudio aerodinámico se lo puede considerar incomprensible. En el vuelo de alta velocidad se deben tener en cuenta otras variables aerodinámicas que se tratan en lecciones más avanzadas.

Presión: este parámetro se define como la “fuerza por unidad de superficie” a la que está sometido un objeto. La presión aplicada a un punto, se denomina presión estática. En la figura vimos (parte derecha), como el aire se comprime. Esta compresión se incrementa cuanto mayor es la fuerza aplicada al émbolo. El aire que queda en el recipiente se comprime y también aumenta su presión (el aire esta comprimido).

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En la atmósfera la presión estática es consecuencia de la fuerza del “peso” que la masa del aire ejerce (peso de la columna de aire). Es así que, a medida que ascendemos, la altura de la columna de aire se reduce, ésto reduce el peso sobre la superficie del objeto y por ende, se reduce  la presión.

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En general, la presión  es una medida de la  fuerza ejercida  por unidad de área en los límites de una sustancia.

Como vimos anteriormente “si la presión aumenta sobre un gas, su densidad también  aumenta” y como la presión disminuyen con la altura, cuando “ascendemos en altura, la densidad y la presión de la atmósfera disminuyen”.

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La densidad tiene una relación proporcional con la temperatura. Así, a medida que la temperatura disminuye la densidad será mayor y viceversa. De esta manera, podríamos pensar que la densidad debiera ser mayor a medida que se asciende pero esto no es así porque “la presión predomina sobre la densidad” y por este motivo “la densidad será menor a medida que la altura aumente”.

La variación de estos parámetros en la atmósfera tendrán influencia directa con el comportamiento de la aeronave. Estas diferencias se traducirán luego en rendimiento de los motores, velocidad de desplazamiento, velocidad del sonido, carrera de despegue, velocidades de control y pérdida, etc.

Atmósfera estándar (ISA)

Como el comportamiento de un avión dependerá de las variaciones en presión, densidad y temperatura, es decir, depende del estado de la atmósfera, la OACI (Organización de Aviación Civil Internacional), con el objetivo de dar valores estándares a las variables atmosféricas de presión, densidad y temperatura, definió el valor de la ISA ( International Standard Atmosphere).

De esta manera, la calibración de instrumentos, ensayos aerodinámicos, vuelo es diferentes clases de espacios aéreos, etc., se realiza bajo parámetros conocidos mundialmente que serán empleados como base para poder determinar las variables originadas aerodinámicamente en las aeronaves. Todos los manuales de las aeronaves en sus secciones de tablas de performance, instrumentos y cálculos generales toman como base los valores ISA. A partir de allí se podrán tomar variables como ISA + 10 grados, ISA – 20 grados o los reglajes altimétricos QNE, QFE y QNH.

Estos valores pueden determinarse con las ecuaciones de los gases perfectos en donde no se considera la humedad, polvo y las variables de rotación de la tierra. Por ende, cuando hablamos de ISA estamos hablamos de una atmósfera ideal que tiene su punto de partida a nivel del mar:

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Como mencionamos, ISA es una atmósfera ideal que debe cumplir con ciertos requisitos:

  • Tiene valores fijos de presión, densidad y temperatura a nivel del mar (MSL).
  • Existe una variación de la temperatura con la altura.
  • Cumple con la ecuación de los gases perfectos, en donde el valor tomado con referencia al nivel del mar expresa que la presión es igual a la variación de la densidad con la temperatura.
  • Cumple con la ecuación de la fluidoestática, en donde la presión disminuye con la altura.
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Lo interesante de ISA es que conociendo una variable podemos determinar el valor del resto. Por ejemplo, lo más sencillo será determinar la presión, densidad y temperatura en función de la altura. Es así que con valores fijos y conocidos podremos darnos una noción del valor de las variables.

Reflexiones finales:

  • Las variables de presión, densidad y temperatura varían con la altura. A mayor altura menor presión, densidad y temperatura.
  • Las propiedades de la atmósfera no son iguales todos los días. Para ello se creó una atmósfera estándar (ISA) con valores predeterminados que permitan tomarse como modelo para los cálculos de aviación.
  • La variación de las propiedades atmosféricas tienen influencia directa en la performance de las aeronaves. Siempre, para cálculos estadísticos o tablas establecidas por el manual del fabricante, se utiliza ISA. Cuando los valores de la atmósfera REAL sean similares a ISA, las performances de la aeronave serán muy similares o idénticas a lo establecido por los manuales; pero cuando esto no ocurra, pueden existir diferencias que deben ser consideradas a los fines de la seguridad operacional (carrera de despegue, rendimiento de motores, régimen y pendiente de ascenso, etc.).
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