LA ATM�SFERA Y LA RESPIRACI�N
Keith E. E. Read (1981)
DEFINICIONES
La atm�sfera
La
atm�sfera, que pesa m�s de 5,6 trillones de toneladas, rodea a la Tierra hasta una
altura aproximada de 300 Km. y se ve impedida de escapar al espacio, debido a la fuerza de
atracci�n de la gravedad. El Sol, situado a una distancia de 149,6 millones de
kil�metros de nosotros, es nuestra fuente de energ�a, y, junto con la atm�sfera,
constituye las condiciones ambientales necesarias para la existencia de la vida en la
superficie de la tierra. El hombre, peque�a criatura terrestre, s�lo puede sobrevivir en
los primeros 6000 m de esta envoltura gaseosa.
La
atm�sfera, que est� formada principalmente por ox�geno y nitr�geno, contiene
algo de vapor de agua y cantidades min�sculas de bi�xido de carbono y gases
inertes como arg�n, helio y cript�n.
El vapor
de agua es uno de los componentes invisibles del aire, como la sal es uno de los
componentes invisibles del agua del mar. Mientras la cantidad de vapor de agua que puede
llevar un poco de aire depender� hasta cierto punto de la presi�n barom�trica, est�
determinada en gran parte por la temperatura atmosf�rica. Por ejemplo, 1000 g de aire a
16� C pueden contener 11 g de vapor de agua, pero si la temperatura baja 7� C, 6 g de esa agua se materializar�n en gotitas, formando una
nube, o en gotas mayores, ocasionando roc�o o lluvia.
Una
calor�a es el calor necesario para elevar un gramo de agua en un grado de temperatura,
pero se necesitan casi 600 calor�as de energ�a solar para que un gramo de agua de la
superficie terrestre pueda transformarse en vapor de agua por evaporaci�n. En el punto
de condensaci�n estas calor�as se desprenden como calor latente cuando se precipita
el vapor de agua y se efect�a la formaci�n de nubes. En la noche, bajo un cielo claro y
despejado, la superficie de la tierra se enfr�a r�pidamente por p�rdida de calor por
radiaci�n, pero cuando est� cubierta por una capa de nubes bajas se comporta como una
tetera tapada y conserva el calor. De ese modo, el vapor de agua que origina las nubes y
ayuda a la formaci�n del tiempo meteorol�gico, transportando ingentes cantidades de agua
y calor por la superficie de la tierra tiene una importancia que nadie supondr�a, dada su
escasa presencia f�sica, que constituye �nicamente el 1 por 100 de la atm�sfera hasta
una altura de unos 20.000 metros.
A nivel
del mar, la atm�sfera patr�n internacional se define con una temperatura de 15� C y una
presi�n de 760 mm de mercurio. Esta presi�n suele expresarse como de 14,7 libras por
pulgada cuadrada en los equipos de buceo y de 1013,2 milibarias (mb) en la escala de los
alt�metros de los aviones. Por definici�n, la milibaria es una presi�n de 1000 dinas
por cent�metro cuadrado y, a su vez, la dina es una unidad de fuerza que, aplicada
durante un segundo a una masa de un gramo le imprime una velocidad de un cent�metro por
segundo (1 cm/s).
Como en el
sistema internacional de medidas (S.l.) la unidad de fuerza es el neutonio -que
produce una aceleraci�n de un metro por segundo en una masa de 1 Kg.- y la de presi�n es
el neutonio por metro cuadrado, la milibaria equivale a 100 neutonios por metro cuadrado
(1mb = 100 N/m2).
La
situaci�n durante este per�odo interino es inevitablemente bastante confusa, con
una mezcla de unidades de diferentes sistemas (nos referimos al hecho de que los pa�ses
anglosajones a�n no han pasado completamente al sistema m�trico), especialmente en
aviaci�n, y creemos que lo mejor es ofrecer datos en la forma en que es m�s probable que
los pilotos las encuentren en los pr�ximos a�os.
La ley
de Dalton expresa que la presi�n total de una mezcla gaseosa es la suma total de las
presiones parciales ejercidas por cada constituyente, y dado que el aire consta
aproximadamente del 21 % de ox�geno y 78 % de
nitr�geno, ded�cese que la presi�n parcial del ox�geno al nivel del mar es de 760 x
21/100 = 160 mm de Hg.
Las
propiedades f�sicas de la atm�sfera permiten dividirla en capas que rodean la tierra, de
un modo similar a las de las cebollas. La m�s baja de tales capas, que es la que est� en
contacto con el suelo, se llama troposfera separada por la tropopausa de la estratosfera
superior. La tropopausa, que var�a de altura de 7.500 a 13.500 metros, es m�s gruesa
en el ecuador y menos en los polos.
Todo
aumento de altitud implica una reducci�n de la presi�n, ya que hay menos aire encima.
Puesto que los gases se calientan si se les comprime (como se aprecia, por ejemplo, en una
bomba de inflar neum�ticos), es l�gico que se enfr�en si se expanden, raz�n por la
cual en las mayores altitudes se encontraran menores temperaturas. La proporci�n en que
se enfr�a el aire al crecer la altitud como consecuencia de la expansi�n es lo que se
llama �ndice de degradaci�n t�rmica adiab�tica y el �ndice patr�n
internacional de degradaci�n t�rmica adiab�tica se define como de 2� C por
1000 pies (301,75 m). En la tropopausa se encuentran temperaturas comprendidas entre -40 y
–80� C y all� crean una paradoja clim�tica, porque, dado que la tropopausa es m�s
baja en aquellas regiones, ser� mas templada en los polos que en el ecuador. Encima, en
la estratosfera, la temperatura se mantiene casi constante.
La energ�a
solar (insolaci�n) atraviesa la atm�sfera y llega hasta el suelo. La atm�sfera en
s� queda poco afectada por el paso a su trav�s de la energ�a solar radiante, pero se
calienta desde abajo gracias a las corrientes de convecci�n causadas por el calentamiento
de la superficie de la tierra.
En la
Tabla 1 se indica la relaci�n existente entre la altitud y la presi�n atmosf�rica. Se
observar� que esta �ltima disminuye logar�tmicamente al crecer la altitud.
En
condiciones de formaci�n de nubes, el aire debajo de ellas que est� subiendo se
enfriar� adiab�ticamente con un �ndice aproximado de 3�
C por cada 1000 pies (301,75 m) (�ndice de degradaci�n t�rmica adiab�tica seca). Una
vez alcanzado el punto de condensaci�n y efectu�ndose la formaci�n de nubes, la cesi�n
de calor latente retardar� el �ndice adiab�tico hasta un 1,5� C por cada 301,75 m (�ndice
de degradaci�n t�rmica adiab�tica saturada).
Tabla
1
Presi�n atmosf�rica en funci�n de la
altitud
Altitud |
Presi�n |
Altitud |
Presi�n |
0 |
760.0 |
20000 |
349.1 |
500 |
746.4 |
21000 |
334.6 |
1000 |
732.9 |
22000 |
320.8 |
2000 |
706.6 |
23000 |
307.4 |
3000 |
681.1 |
24000 |
294.4 |
4000 |
656.3 |
25000 |
281.8 |
5000 |
632.3 |
26000 |
269.8 |
6000 |
609.0 |
27000 |
258.0 |
7000 |
586.4 |
23000 |
246.8 |
8000 |
564.4 |
29000 |
236.0 |
9000 |
543.2 |
30000 |
225.6 |
10000 |
522.6 |
31000 |
215.4 |
11000 |
502.6 |
32000 |
205.6 |
12000 |
483.3 |
33000 |
196.3 |
13000 |
464.4 |
34000 |
187.3 |
14000 |
446.4 |
35000 |
178.7 |
15000 |
423.8 |
36000 |
170.3 |
16000 |
411.8 |
37000 |
162.4 |
17000 |
395.3 |
38000 |
154.8 |
18000 |
379.4 |
39000 |
147.5 |
19000 |
364.0 |
40000 |
140.7 |
Respiraci�n
El aire
entra en el cuerpo por la nariz, donde se filtra, templa y humidifica. Por el acto de la
inspiraci�n se lleva a los pulmones a trav�s de la tr�quea, y en ellos a los alv�olos.
Aqu� el ox�geno se difunde en el torrente sangu�neo por un gradiente de presi�n.
El �rea de todos los alv�olos de que se dispone en los pulmones para la difusi�n del
ox�geno es equivalente a la superficie de suelo de una habitaci�n de 11 x 6 m, es decir
66 m2. El ox�geno se combina con la hemoglobina para formar oxihemoglobina en
los hemat�es y en ellos se lleva a todas las partes del cuerpo. En la presi�n
atmosf�rica al nivel del mar, 100 mililitros (ml) de sangre transportar�n 19 ml de
ox�geno. Uno de los productos de desecho de las reacciones bioqu�micas del cuerpo humano
(metabolismo) es el bi�xido de carbono, que se elimina mediante el torrente
sangu�neo. En los pulmones, gracias al gradiente de presi�n, el bi�xido de carbono se
difunde por la membrana alveolar para entrar en el aire alveolar. desde donde,
mediante el acto de la espiraci�n, es expelido del cuerpo. El centro respiratorio del
cerebro que controla el ritmo de la respiraci�n est� estimulado por las cantidades
crecientes de bi�xido de carbono disuelto en la sangre formando �cido carb�nico. Al
aumentar el tenor de �cido carb�nico en la sangre crece tambi�n la acidez del cuerpo,
en tanto que su disminuci�n tiende a hacer el cuerpo m�s alcalino.
La
capacidad total de los pulmones es de 5 litros y en reposo el hombre necesita respirar
unos 8 l de aire por minuto. Un ejercicio violento aumentar� esta necesidad incluso hasta
60 l por minuto. En reposo, cada respiraci�n implicar� el movimiento de medio litro de
aire, que entra y sale de los pulmones: aproximadamente un d�cimo de su capacidad.
Ded�cese
pues que los pulmones no renuevan todo el aire usado que en ellos hay en cada
respiraci�n, estado que se agrava por la extracci�n constante de ox�geno del aire
alveolar por parte de la sangre y el aporte, tambi�n constante, de bi�xido de carbono a
ese aire desde el torrente sangu�neo. Como consecuencia, la composici�n del aire
alveolar es muy diferente de la que corresponde al atmosf�rico, ya que contiene, adem�s
de nitr�geno y ox�geno, cantidades importantes de vapor de agua y bi�xido de carbono.
En el nivel del mar, la presi�n parcial ejercida por el contenido de vapor de agua es de
47 mm Hg. y la del bi�xido de carbono es de 40 mm Hg., lo que hace que la presi�n del
aire alveolar seco sea de 713 mm Hg. (760 - 47 = 713).
La
composici�n del aire alveolar seco es:
ox�geno
14,5 %
nitr�geno
80,0 %
bi�xido de carbono
5,5 %
Por eso al
nivel del mar, donde la presi�n del ox�geno atmosf�rico es de 160 mm. Hg., el ox�geno
alveolar queda reducido a 103 mm Hg.
Fig.1 - Relaci�n entre la capacidad de
transporte de ox�geno de la sangre la presi�n parcial del ox�geno alveolar
En la fig. 1 se observa que subiendo a 10.000 pies (unos 3.000 m) se
produce una situaci�n en la que, aunque la presi�n del ox�geno alveolar ha disminuido
en 40 mm Hg, la sangre est� a�n saturada al 90 % de su capacidad de ox�geno. El asunto
es m�s grave por encima de los 10.000 pies, porque entonces las reducciones relativamente
peque�as de la presi�n del ox�geno alveolar van asociadas con disminuciones
desproporcionadas de la capacidad de transportar ox�geno que la sangre tiene. Resumiendo,
el hombre puede volar con seguridad y sin preocupaciones hasta los primeros 8.000 pies
(2.440 m) de la atm�sfera, pero en altitudes superiores a los 10.000 pies (3.000 m) su
eficacia primero y su vida despu�s queda en unas condiciones precarias s� no se ha
previsto un aporte suplementario de ox�geno.
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