Un salto desde la estratosfera para hablar de la atmósfera

Instantes antes del salto, en la plataforma de la cápsula Zenith

Lo lograron. Bueno, al menos, tres de los cuatro récords que tenían previstos: ascenso en globo al punto más alejado de la superficie y mayor altura de un salto en paracaídas (39.068 m), y mayor velocidad en caída libre (1.173 km/h, 325,8 m/s). Se resistió el récord de duración de caída libre. Estaba previsto que la caída libre durase unos 5 minutos y medio, pero quedó en 4 minutos, 19 segundos, 17 segundos por debajo del actual récord. Si lo quieres ver, no te pierdas el siguiente video:

Felix Baumgartner con su traje presurizado para el salto. Fuente: The Telegraph.co.uk

En realidad, Felix Baumgartner, un austriaco de 43 años, y la empresa que patrocina el proyecto ya consiguieron  su principal objetivo (captar la atención mundial de los medios de comunicación) antes de que, por fin, pudieran realizar el gran salto desde la estratosfera, este 14/10/2012 . El proyecto Red Bull Stratos ha sido una eficaz campaña de marketing, más que un proyecto científico; pero no hay por qué negar su mérito tecnológico o el reto personal para el protagonista del salto. Tampoco hay que desaprovechar la oportunidad  de indagar en algunas curiosidades científicas relacionadas con la experiencia.

Un poco de historia

Joseph Kittnger saltando desde 31.300 m de altura en 1960 durante el desarrollo de la misión Excelsior III

En realidad, los saltos desde la estratosfera no son una novedad. Durante la década de 1950, el interés creciente por los viajes espaciales y, especialmente, la necesidad de comprobar el funcionamiento de los sistemas de eyección para pilotos que volaban a gran altura, llevó a la fuerza aérea estadounidense a proyectar y efectuar  varios saltos desde alturas estratosféricas con el fin de poner a punto sistemas de estabilización durante la eyección de pilotos en situaciones de emergencia.

El protagonista de estos saltos fue Joseph Kittinger, un piloto que, hasta la hazaña de Felix Baumgartner, mantenía, desde el 16/08/1960, el récord de altura de un salto con paracaídas, con 31.300 m. El proyecto se llamaba Excelsior  y estuvo a punto de acabar en desastre porque su traje presurizado tenía un escape en la unión de uno de los guantes. Kittinger soportó el dolor, arriesgando su vida. Como parte del proyecto, ya había saltado desde alturas inferiores en dos ocasiones. En una de ellas el funcionamiento defectuoso del sistema de estabilización le hizo girar tan deprisa que perdió el conocimiento. Los tres saltos, a diferencia del realizado por Felix Baumgartner, que usó una góndola presurizada, se realizaron desde una góndola abierta.

Cincuenta y dos años después, las principales diferencias con respecto a aquella misión han sido un despliegue de medios  audiovisuales muy superior y medios tecnológicos mejorados. Y como buenos publicistas, lo primero que hicieron los responsables del proyecto fue contratar a Joseph como miembro destacado del equipo del proyecto.

Saltar desde la estratosfera

Los saltos habituales en paracaídas se realizan dentro de la primera capa de la atmósfera terrestre, la troposfera, que se extiende desde la superficie terrestre hasta los 10-11 km de altura. La altura desde la que se realizan es muy variable, desde 1.500 para saltos de baja altura, hasta 5.000-7000 m para saltos de grandes formaciones, en cuyo caso debe usarse oxígeno suplementario. Alturas entre 2.500 y 3.500 m son muy habituales. Por debajo de 4.500 m, el equipamiento necesario (a excepción del sistema de paracaídas, claro está) es bastante escaso, ya que las condiciones de supervivencia a estas alturas son buenas.

Pero la estratosfera es una zona muy diferente, lo que demuestra la heterogeneidad de nuestra atmósfera. Se trata de una capa que se extiende desde el límite de la troposfera, a 10-12 km de altura (tropopausa), hasta los 50 km de altura. En ella,  la temperatura, la densidad y la presión varían drásticamente, generando unas condiciones que plantean problemas muy serios para la supervivencia de los seres vivos.

Variación de la temperatura y presión atmosféricas en función de la altura. Observa que en la estratosfera, cuanto mayor es la altura, la temperatua sube, en tanto la presión desciende.

Temperatura: En la troposfera la temperatura desciende con la altitud. Lo habrás podido comprobar al ascender una montaña elevada. La causa es que la superficie terrestre absorbe una parte de la radiación solar que se transforma en calor. La elevación de la temperatura de la superficie terrestre hace que ésta se convierta en un verdadero radiador térmico hacia la atmósfera. Mares y océanos, por su parte, debido al elevado calor específico del agua, hacen de reguladores térmicos de la zona atmosférica más baja.  De ahí que, cuanto más cerca de la superficie, mayor temperatura posee la atmósfera. En definitiva, la temperatura en el límite troposfera-estratosfera desciende hasta un valor cercano a -60ºC.

Sin embargo, en la estratosfera sucede el proceso inverso: la temperatura asciende con la altura. Este curioso fenómeno se debe fundamentalmente a la abundancia de ozono en esta capa. El resto de la atmósfera es “transparente” a la radiación ultravioleta que nos llega de Sol; pero, como sabes, el ozono absorbe este tipo de radiación y parte de esta energía absorbida se transforma en energía calorífica, de forma que, además de librarnos de los peligrosos rayors UVA, el ozono provoca cierto calentamiento de la estratosfera. En el límite superior de la capa, llamado estratopausa, la temperatura media es de unos 0ºC, aunque en algunos puntos concretos podría llegar a superar los 15ºC.

Variación de la densidad del aire en relación a la altura

Densidad: Ya sabes que la densidad es la relación entre la cantidad de masa de una sustancia o mezcla y el volumen que ocupa. Cuánto más densa es una sutancia, más cantidad de materia “cabe” en un mismo volumen y más pesada resulta. En la atmósfera, la fuerza gravitatoria del planeta (que se dirige hacia el centro de la Tierra) comprime la mezcla de gases que la constituye, haciendo que la atmósfera aumente su densidad. Pero ya sabes que la fuerza del campo gravitatorio disminuye de forma proporcional al cuadrado de la distancia que hay entre el planeta y el punto considerado. Esto hace que conforme nos alejamos de la superficie terrestre la intensidad del campo gravitatorio disminuye con lo que la posibilidad de retener moléculas de gases es mucho menor. Este hecho determina que la densidad de la atmósfera disminuye de forma exponencial con la altura. Es decir, la atmosfera se hace mucho más tenue o ligera conforme ascendemos en altura. A nivel del mar la densidad del aire es, aproximadamente, de unos 0,12 g/l. En el límite superior de la troposfera, la densidad ya ha descendido a una tercera parte de este valor y a unos 25 km  llega a ser una décima parte.

Presión atmosférica: La presión atmosférica se debe al peso de las capas superiores de aire. Por ello, a más altura, menos presión, ya que menos aire queda por encima; pero si, además, consideramos que la atmósfera es menos densa cuanto mayor sea la altura, el resultasdo es que la presión también desciende exponencialmente con la altura. Observa que en la estratopausa, la presión es tan sólo del 0.1% de la que existe a nivel del mar.

Un ser humano a  39 km de altura

Estaba previsto que el salto de Felix Baumgardtner se realizase desde una altura de unos 36,5 km de altura; pero finalmente se produjo 2,5 km más arriba, a 39 km. A esta altitud, en mitad de la estratosfera, las condiciones de la atmósfera eran de unos 8ºC bajo cero, una presión de unos 2-3 milibares (400 veces más baja que a nivel del mar, que es de 1000 milibares) y una densidad de 0.002 g/l (60 veces menor que a nivel del mar).

No es difícil imaginar que con estas condiciones se hace totalmente imprescindible un traje especial que sea capaz de mantener la temperatura y presión mínimas necesarias para que Felix pudiera sobrevivir. El protagonista de la historia ascendió durante 2,5 horas en una nave presurizada que le ayudó a regular el cambio de presión. El ascenso se realizó lentamente, a una velocidad media de 5 m/s para facilitar el ajuste de presión en la cápsula. Durante la mayor parte del viaje la presión de cabina se mantuvo a unos 0,5 bares (la mitad de la presión “normal”, pero tolerable para el ser humano). Igualmente, su traje, también presurizado, impidió que la presión de su cuerpo bajara más allá de los límites soportables cuando, al alcanzar la altura del salto, hubo que despresurizar la cabina para permitir abrir la portezuela.

Los trajes presurizados son  trajes ajustados y herméticos que puede hincharse de forma controlada para provocar un aumento de presión sobre el cuerpo, que contrarreste el descenso de la presión ambiental. Un dispositivo muy incómodo pero imprescindible. Pero, aún así, en este tipo de situaciones a una altura tan elevada, es imposible mantener una presión igual a la del nivel mar.  Es decir, que Felix debió soportar cierto nivel de descompresión durante su ascenso y exposición al medio externo.

Los problemas derivados de una descompresión intensa demasiado rápida están relacionados con el nitrógeno disuelto en la sangre. Los submarinistas pueden estar expuestos a problemas similares. Veamos por qué.

Siempre que se habla de procesos respiratorios se habla de los procesos de difusión del oxígeno molecular y del dióxido de carbono porque estos son los gases de interés para el organismo, pero en realidad, ya sabes que el gas mayoritario de nuestra atmósfera es el nitrógeno molecular. El N2 pasa a nuestra sangre desde los pulmones, se transporta a través de ella como el oxígeno y llega hasta todos los rincones de nuestro cuerpo. Sin embargo, no reacciona ni interviene en procesos metabólicos. Pasa por nuestro cuerpo como si fuera un fantasma, sin ninguna influencia. Ahora bien, si se produce una descompresión brusca, la cosa cambia: ¿Has probado a abrir un refresco gaseoso después de moverlo un poco? De pronto, aparecen burbujas y burbujas no se sabe de dónde y se pone todo perdido…

La explicación es sencilla: al abrir la botella, baja la presión del interior de la botella y, al hacerlo, disminuye la solubilidad del gas en el líquido. Todo el gas disuelto “sobrante”  (generalmente dióxido de carbono) escapará de la disolución formando burbujas gaseosas. El proceso puede resultar simpático en una botella de refresco, pero lo es mucho menos si ocurre dentro de nuestro sistema circulatorio. Las burbujas gaseosas de N2 que se formen pueden desencadenar procesos de coagulación dentro de los vasos sanguíneos dando lugar a embolias que pueden ser fatales.

Para evitar en lo posible estos problemas, Baumgartner estuvo respirando aire libre de N2 durante un tiempo antes del ascenso. De esta forma, la concentración de N2 disuelto en su sangre disminuyó significativamente y así minimizó el posible problema.

Un poco de Física

Otra cuestión que provocaba bastante inquietud era el hecho de que Baumgartner tenía previsto superar la barrera del sonido. Cuando, en la Segunda Guerra Mundial los primeros aviones alcanzaron la velocidad de 340 m/s (la del sonido en el aire) se descubrió que esto representaba un problema importante. La barrera del sonido no es sólo un concepto o una cantidad. Se trata de una pared de vibraciones sonoras muy real que cualquier objeto se encuentra cuando alcanza a desplazarse más rápido que el sonido que él mismo produce. Los efectos pueden ser espectaculares

Claro que Baumgartner contaba con tres ventajas bastante bien conocidas:

En primer lugar, el sonido provocado por un cuerpo cayendo en una atmósfera tan poco densa como es la estratosfera es mucho menor que el provocado por los motores a reacción de un avión atravesando la troposfera. En segundo lugar, la extremadamente baja densidad de la atmósfera a 30-40 km de altura hace que la energía de vibración generada (al haber menos partículas) sea también mucho más baja. En definitiva, se sabía que la barrera del sonido que Baumgartner tendría que atravesar sería mucho menos “dura” que la provocada por los aviones.Aún así, era una situación totalmente inédita que planteaba lógicos temores.

La  bajísima densidad del aire a esa altura era también  indispensable para facilitar que Felix pudiese alcanzar la velocidad del sonido. En capas bajas de la atmósfera esto sería imposible  ya que el rozamiento con la atmósfera (que es mayor cuanto mayor sea la velocidad del objeto) se opondría a la fuerza de la gravedad. A determinada velocidad ambas fuerzas (la de la gravedad y la de rozamiento) se igualan y el objeto que cae deja de acelerar su movimiento. Alcanza lo que se denomina velocidad terminal o velocidad límite. La velocidad límite de un ser humano en caída libre depende de la posición que adopte porque cuanto mayor sea la superficie de rozamiento con el aire más frenada sufrirá. En cualquier caso, es siempre inferior a la velocidad del sonido.

Sin embargo, a 39 km de altura, una densidad del aire cercana a cero hace que la fuerza de rozamiento sea mínima (aunque gradualmente mayor conforme se produzca el descenso). En estas condiciones, la caída del paracaídista se asemeja bastante a una caída en el vacío con aceleración constante provocada por la fuerza de gravedad y esto ayuda significativamente a alcanzar mayor velocidad.

Y aún nos queda un tercer as en la manga: La velocidad del sonido en la estratosfera es más baja que en la troposfera debido, precisamente, a su baja densidad. El sonido necesita un soporte material elástico para propagarse, así que cuanto más “alejadas” estén unas partículas materiales de otras, más dificultades tiene el sonido para propagarse. Así en la estratosfera, el sonido se transmite a 1.100 km/h (o unos 305 m/s) en lugar de los 1224 km/h (o 340 m/s) que se registran en la troposfera. Por tanto, en la estratosfera, la barrera del sonido se alcanza a una velocidad inferior a la troposfera.  Kittinguer se acercó hasta los 274 m/s.

Precisamente el incremento de altura de Baumgartner con respecto a Kittinguer es lo que le ha dado la distancia de caída con baja densidad atmosférica necesaria para lograr una velocidad tan elevada.

Y tras estos comentarios es obligado despedirme dando la enhorabuena a Felix Baumgartner por su hazaña.

12 thoughts on “Un salto desde la estratosfera para hablar de la atmósfera

  1. Enhorabuena. He encontrado la explicación que buscaba. Aquí si que lo explicáis bien. Un saludo

    • Buenos días; le quería hacer una pregunta ya que no he encontrado nada en la red al respecto;

      Bajando a casi 1.200 Km/h cómo es posible que no tenga efectos el contacto de la persona con las capas más densas que hay más abajo, es decir, no entiendo como no se pudo producir un sobrecalentamiento al reentrar en una atmosfera más densa tal como se produce con las lanzaderas espaciales, aunque bien es cierto que la velocidad de estas es unas 40 veces mayor, aun así, creo que un choque a 1.200 Km/h sobre una capa densa de moléculas debería provocar aumento brusco de la temperatura del traje.

      Otro tema que no dejo de entender es el hecho de llevar un traje presurizado con aire y pasar en breves segundos de una presión externa de unos pocos mb a una presión externa de 1000 mb, entiendo que la presión interna en el traje debió aumentar muy rápidamente durante la caída, debido al empuje de la presión exterior, sin que ello supusiera peligro para la vida de Felix. ¿Cómo se explica?

      Muchas gracias por su respuesta.

      • Hola, Roberto.
        Con respecto a tu primera pregunta, en efecto, se trata de una cuestión de velocidad y de densidad. Aunque 1.170 km/h es, sin duda, una velocidad impresionante para un ser humano, no llega a ser suficiente como para generar un problema serio de calentamiento como ocurre en la reentrada de vehículos espaciales, como es el caso del transbordador espacial. Como bien dices, la velocidad de estos puede llegar a ser entre 30 y 50 veces la de Felix Baumgartner. Piensa que los aviones comerciales de pasajeros surcan la troposfera a una velocidad media de 900 km/h sin que ello plantee especiales dificultades. Hacerlo a 30.000 o 40.000 km/h es otra cuestión. Además Baumgartncer alcanzó esta velocidad en capas aproximadamente a los 40 segundos del salto, por encima de los 30.000 m de altura, cuando la estratosfera posee aún una densidad muy baja que aumenta muy poco a poco. En esta zona, la baja densidad minimiza el problema del calor generado al caer. Conforme descendía y la densidad del aire aumentaba poco a poco, la velocidad comenzó disminuir proporcionalmente. A continuación el primer paracáidas estabilizador frenó aún más la caída hasta hacer despreciable el efecto de calentamiento. No obstante, el traje de Baumgartner poseía en sus capas exteriores una protección térmica suficiente para prevenir este tipo de problema, en las condiciones en las que se producía el salto e incluso más extremas.

        Con respecto a tu segunda pregunta, debes terner en cuenta que Baumgartner nunca llegó a estar a una presión por debajo de la equivalente a una altura de 10.000 m (250 milibares, es decir, una cuarta parte de la presión a nivel del mar). De hecho, la góndola en la que viajó hasta la altura del salto (39.000 m) mantuvo la mayor parte del viaje una presión constante de 500 mb (ten en cuenta que en los aviones comerciales de pasajeros la cabina está presurizada y mantiene una presión de unos 750 milibares, equivalente a 2.500 m de altura).

        En el momento en que fue a realizarse el salto, la góndola empezó a despresurizarse para igualar su presión con el exterior, mientras que el traje presurizado del saltador fue regulando la presión hasta los 250 milibares. La sensación de Baumgarttnner con respecto a la presión fue la de ascender a una altura de 10.000 metros con aporte suplementario de oxígeno (apenas 1,5 km más alto que el Everest).

        Tienes razón en exponer que el aumento de presión al caer debió ser bastante más rápido que el de descompresión. No obstante, el proceso de descompresión es más crítico que el de compresión debido al peligro de embolia que se produce en el primero. Aún así, el aumento más brusco de presión en función de la altura se produce en los últimos km de altura, cuando el descenso se realizaba ya con el “freno” del paracaídas y, por lo tanto, más lentamente. Conforme caía, el traje presurizado dejó de cumplir su papel compresor que fue, de nuevo, sustituido por la propia presión atmosférica.

        Así pues, y aunque las condiciones parecen sobrehumanas, la tecnología y la propia estratosfera ayudaron a que estas dos cuestiones no representaran un obstáculo insalvable.

  2. naturalmenteciencias, le agradezco enormemente su respuesta y estoy completamente de acuerdo.

    Le seguiré en el blog, tngo una mente un tanto inquieta, jeje.

    Saludos.

    • …Y tan inquieta es que otra pregunta me asoma: he releido en su artículo que Felix Baumgartner respiró aire libre de N2, y en otras webs he leído que respiró directamente oxígeno puro! Puesto que me parece imposible la segunda de las opciones, puesto que Felix sigue todavía vivo, me pregunto qué gas inerte se utilizaría para la mezcla con el O2, pudo ser una mezcla 80/20 como en el caso del aire?

      De nuevo, gracias por su atención.

      • Hola de nuevo, Roberto.
        Pues sí, se trataba de oxígeno puro. Aunque respirar oxígeno puro a presión normal durante tiempo prolongado tiene efectos perjudiciales, se puede respirar oxígeno puro durante un par de horas sin que, normalmente, se observen consecuancias negativas. El oxígeno es un gas muy reactivo que puede provocar sobre todo irritación del delicado tejido de los alveolos pulmanares si estos son expuestos mucho tiempo al gas puro, pero el tejido resiste bien si la exposición es corta.
        Desconozco las condiciones exactas en las que Felix Baumgartner recibió el oxígeno, pero un truco que puede usarse para minimizar el efecto del oxígeno puro es suministrarlo a presiones inferiores a la normal (De hecho astronautas de los primeros viajes espaciales lo hicieron durante días). Al ser menor la presión, la difusión del gas es menor, con lo cual un factor (la presión) “compensa” al otro (la concentración)evitando el problema de otros gases durante la descompresión.
        Gracias por participar

  3. Hola, Manu, como el otro día en clase nos dijiste que miráramos tu blog y que eso daba un positivo, hoy me he acordado y como sabes que me gustó mucho lo de Felix Baumgartner, me he parado a mirarlo, aunque hay algunas cosas que no entiendo bien, me ha parecido impresionante lo de Baumgartner, un saludo y lo mas normal es que valla mañana a clase.

  4. Hola Profesor!!! Mucho muy interesante su blog y sus explicaciones con un lenguaje claro y preciso, tal como debe ser la divulgación de la ciencia. Yo tenía algunas preguntas y todas han sido contestadas con la lectura de su texto. Muchas gracias!!!

    PD ¿Tiene cuenta en twitter? Tal vez sería importante que pudiera promocionar su blog para que más gente pueda enterarse de todas las cosas importantes que tiene la ciencia para nosotros. La ciencia también es cultura.

    • Me alegra mucho que el post te haya resultado interesante. Gracias por tu sugerencia referente al twitter; es muy buena idea. Y, por supuesto, completamente de acuerdo contigo en la última frase: “La ciencia también es cultura”, una gran verdad que, sin embargo, no siempre es asumida por la sociedad.
      Gracias por participar en el blog.

  5. Hola , muy interesante articulo el suyo, llegue aqui buscando cual es la presion minima que un ser humano puede resistir ya sea por un lapso de tiempo o por lapsos prolongados, supongo que una es un poco mayor a la otra esto en milibares, pero aproveche para aprender algunas otras cosas,me toco ver el salto por tv si fue muy interesante y ahora comprendo mejor todo lo que vi ese dia. gracias

    • Gracias por tu participación. Me alegro de que el post te haya resultado útil

  6. Muchas gracias por el articulo es impresionante como mediante ilustraciones y explicaciones sencillas y concisas nos permita comprender cosas tan complejas e intrinsicas a quienes no somos fisicos….. De nuevo gracias!

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